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Prof. Dr.-Ing. Peter Mitschang, Andreas Krämer
7. thermoPre-Fachtagung
9. und 10. Oktober 2019
Thermoplastische FKV Halbzeuge und Prozesse: Eine Schicksalsgemeinschaft
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• Motivation zum Einsatz von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden
• Entwicklung von Halbzeugen und Prozessen für thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde
• Erweiterung der klassische Prozesskette zur Verarbeitung von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden
• Der Versuch eines Ausblicks als Zusammenfassung
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Gliederung
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3© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer
Quelle: Fokker Aerostructures
Quelle: Jacob Plastics Group
Quelle: CAMISMA’scar seat back
Quelle: Spriform-Consortium
Motivation = Herausforderung
Großserie, Zuverlässigkeit, Qualität, Kosten
Quelle: Premium Aerotec
Motivation zum Einsatz von thermo-plastischen Faser-Kunststoff-Verbunden
Quelle: TU Chemnitz
Quelle: thermoPre
Quelle: Weber Fibertech
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4© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer
Halbzeuge und Prozesse für TP-FKVFließpressen
Kurz- und Langfaser-verstärkte Thermoplaste
H eizs tu fe
Q uers trom -d ü se
K ü h lstufe
Pu ller
G ranu lierstu fe
G lasfaser-ro v ing s
E xtru der
Fließpress-ProzessNeuware oder Reziklat
Plastifizieren
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5© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer
Halbzeuge und Prozesse für TP-FKVThermoplast-Tapelegen
Quelle: thermoPre
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Halbzeuge und Prozesse für TP-FKVOrganoblechumformung
OrganoblecheProfile
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Halbzeugherstellung Laminate
ThermoformenBauteilkomponentenVerbindungstechnik
(Schweißen)
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Klassische Prozesskette zur Verarbeitung von Organoblechen
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8© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer
Anlagentechnik zur Herstellung vonplattenförmigen Halbzeugen
PVakuum
Statische Verfahren
Semi-kontinuierliche Verfahren
KontinuierlicheVerfahren
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• Forschungsschwerpunkte Imprägniervorgänge:
• Untersuchung des Imprägnier- und Konsolidierverhaltens: Einfluss von Polymerviskosität, Gewebetyp, Faserschlichte
• Modellierung des Imprägnierprozesses:
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Forschungsschwerpunkte in der Material-und Prozessentwicklung
Temperatur t
Druck P
Viskosität ɳ
Zeit
PdttT
1PbB
a
0
t
t 0
B-Faktor Modell nach Mayer
Quelle: Mayer, C.: Prozeßanalyse und Modellbildung bei der Herstellunggewebeverstärkter, thermoplastischer Halbzeuge. Kaiserslautern: Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, 2000
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• Forschungsschwerpunkte anlagentechnische Umsetzung
am Beispiel der Intervallheißpresstechnik
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Forschungsschwerpunkte in der Material-und Prozessentwicklung
0 200 400 600 800 10000
80
160
240
320
400
480
560
640
Werkzeuglänge [mm]
We
rkze
ugb
reite
[m
m]
90
°C
40
°C
90
°C
40 °
C
0 200 400 600 800 1000
[bar]
Werkzeuglänge [mm]
020,0040,0060,0080,00100,0120,0140,0
Druckverteilung im Laminat bei verschiedenen Temperaturprofilen
Analyse des Polymerfließens bei unterschiedlichen Prozessbedingungen
zeitliche und örtliche Verteilung von Prozesstemperatur und Prozessdruck
Ableitung von optimierten Werkzeugen für optimierte Imprägniervorgänge
Ziel: breitere Halbzeuge & gesteigerte Effizienz
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• Thermoformprozess
• isothermer Prozess, Aufheizen außerhalb des Werkzeugs
• “kaltes” Werkzeug: TWKZ ~ 50-80 K unter Tm bzw. Tg des
Matrixpolymers
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Forschungsschwerpunkte in der Material- und Prozessentwicklung
BesäumenAufheizen UmformenHalbzeug Bauteil
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Der Schlüssel zum Erfolg
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Konzept und Design
Prozesssimulation
Crashtest
Verarbeitung / ThermoformenCrashsimulation
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Entwicklung eines Crash „Muffin“
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Längsträger
Stoßfängerhalter
Crash Absorber
• Schützt Insassen und Längsträger vor Aufprallschäden
• Ausgelegt als Opferteil um Reparaturkosten zu senken
Image courtesy of AUDI AG
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Validation Tests and Crash Tests
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0
1
2
3
4
5
0 0,2 0,4 0,6
Sh
ear
Str
ess
[MP
a]
Strain [mm/mm]
220°C 250°C
Picture‐Frame‐Test250°
C
220°C
240°C
230°C
Prozess‐simulation
Mechanische Simulation
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Leistungsfähigkeit und Komplexität in Abhängigkeit von Material und Prozess
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Relative Faserlänge l/d [-]
Polymer
10 100 1000 ∞0
Kurzfaser
Langfaser
Matte
Gewebe
uni-direktional
gering
hoch
Source: in style ofJacob Plastics Group
Bau
teilk
om
ple
xitä
t
Per
form
ance
[M
Pa]
Ko
sten
[€]
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Leistungsfähigkeit und Komplexität in Abhängigkeit von Material und Prozess
© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer
Relative Faserlänge l/d [-]10 100 1000 ∞0
gering
hoch
Per
form
ance
[M
Pa]
Ko
sten
[€]
Bau
teilk
om
ple
xitä
t
OrganoblechThermoformen
Spritzguss oderFließpressen „SpriForm“
Quelle: in style ofJacob Plastics Group
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Entwicklung von Hybrid-Prozessen
Organoblech
AutomatisierterTransport in den
Ofen
AufheizenTransport in die Fertigungszelle
Thermoformen und Hinterspritzen in
einem Prozessschritt
Entformen und Nachbearbeitung
Merkmale Bauteile kleiner und mittlerer
Größe mit hoher Faserorientierung und hoher Bauteilkomplexität
Sehr kurze Zykluszeiten, großserientauglich
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Erweiterter Einsatz thermoplastischer Halbzeuge
Integrative Komponentenfertigung
Funktionalisierte FKV Komponenten
Optionale Verbindungstechnik
Erweiterung der klassische Prozesskette zur Verarbeitung von thermoplastischen FKV
Optionaler Thermoformprozess
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Source : KraussMaffei
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Beispiel einer vollautomatisierten SpriForm Fertigungszelle
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Spritzguss-aggregat
Material-lager
Aufheizstation
Rahmen miteingespanntemLaminat
Roboter(6-Achsen)
AutomatisierteEinspann-vorrichtung
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Beispiel für die Vielfalt an Funktionalisierungsvarianten
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Umspritzte Ränder
“Stichelemente”, d.h. Injektion der angespritzenSchmelze durch das Laminat
Rippenanordnung für Crashuntersuchungen
Gestanzte oder ausgeformte Löcher für die Anbringung von Befestigungselementen
Balken mit veripptem U-Profil
Abmessungen: 40 cm x 40 cm
Höhe: 4.5 cm
Laminatdicke: 1.5 mm
verschiedene Rippen / Wanddickenübergängezwischen Laminat und umspritztem Material
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Prozesskette Thermoplast (TP) –Endlosfaserverstärkte Bauteile
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ImprägnierungAusgangs-
material FKV-Bauteil
Rovings Organoblechherstellung
Prozesskette TP
GewebeGelege
Thermoformen
TextilesHalbzeug
TP-Tapes FKV-Bauteil
Trend
• TP-Bauteile meist relativ klein mit komplexen Lasten
• Kurze Prozesswege (vom Roving zum Bauteil)
• Reduktion der Kosten durch weniger „teures“ Material
• Vermeidung von Abfall (Verschnitt)
• Ausreichendes Handling und Verarbeitbarkeit
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Neue Prozessentwicklungen für „Tailored-Blanks“
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Ablage „Tailored blank“ (Fiberforge)
Konsolidieren(Fibercon)
Thermoformen
© Dieffenbacher
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Neue Prozessentwicklungen für „Tailored-Blanks“
• Fiber-Placement-Technologie F2 - Compositor
25Quelle: Automation Steeg Hoffmeyer GmbH
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Die Weiterentwicklung von Material und Prozess
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Die Weiterentwicklung von Material und Prozess
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Die Weiterentwicklung von Material und Prozess in der Zukunft
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Anwendung bestimmt die Prozessentwicklung© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer
Dies erfordert einen ganzheitlichen Ansatz unter Einbeziehung von
Auslegungs- Werkstoff-, Simulations- und Verarbeitungs-Know-how
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Antwort: Das entscheidet der Anwendungsfall
• Die Anwendung definiert den Materialeinsatz Polymer, Faserart und Fasermenge Faserorientierung Kosten
• Der Prozess folgt den Randbedingungen der Anwendung als integrativer Hybridprozess
• Das Halbzeug definiert sich an den erlaubten Kosten und Prozessvorgaben
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Zusammenfassung
Was müssen die Halbzeuge und Prozesse für die Großserie von thermoplastischen FKV-Bauteilen
zukünftig können?
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• Topologieoptimierte Bauteilauslegung basierend auf UD-Tapes als Einleger für den Spritzguss oder Fließpressprozess auch in Verbindung mit Organoblechen
• Schnelle Tapeablage auch gekrümmter Bahnen mit Teilkonsolidierung
• Hoher Wärmeeintrag ins Halbzeug bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastung im Prozess
• Sehr enge Toleranz des Halbzeugs und der thermoplastischen Preform
• Durchgängige Automatisierung und Digitalisierung (Industrie 4.0) vom Granulat und Faser bis zum Bauteil
• „zero-waste“ Prozesse
• Recyclingkonzepte „post-industry“ und „post-consumer“
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Zusammenfassung: Forschungs- und Arbeitsthemen in diesem Zusammenhang
Die Anwendung ist somit der Taktgeber für die zukünftige Prozess- und Materialentwicklungen.
Zur Lösung haben wir mit den thermoplastischen FKV einen tollen Baukasten aus Material- und Prozessinnovationen.
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Vielen Dank
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Peter Mitschang
www.ivw.uni-kl.de
Tel: +49 (0) 631 2017- 103
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