Landshuter Leichtbau-Colloquium
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Durch Verwendung von Metall-Faserverbund-Hybridrohren kann im Vergleich zu konventionellen Stahlrohren ein Gewichtsvorteil erzielt werden. Ein Einsatz in einem Überrollkäfig hängt ebenfalls von der Möglichkeit zur Wiederherstellung der Festigkeit bei mittleren Beschädigungen ab. In dieser Arbeit werden daher Methoden zur werkstattgerechten Reparatur gesucht. Mittels Impaktfallturm werden Schädigungen auf Flachproben aufgebracht, die durch eine weitere Deckschicht durch Sichtprüfung detektiert werden können. Zur Bewertung der Reparatur werden Zugversuche an den ungeschädigten, geschädigten und den mit verschiedenen Varianten wiederhergestellten Proben durchgeführt.
Spanende Bearbeitung, rhythmische und beschleunigte Bewegungen erzeugen Schwingungen, die von hochsteifen Konstruktionen oft verlustarm weitergeleitet werden. Je leichter die Bauteile sind, desto größer werden die angeregten Amplituden bei gleicher eingeleiteter Energie. Die Schwingungen vermindern die Präzision spanabhebender Bearbeitung, begrenzen die Taktraten und die Lebensdauer der Baugruppen sowie Werkzeuge und führen nicht zuletzt zur Abstrahlung von Lärm. Die dagegen eingesetzten aktiven und semiaktiven Dämpfungssysteme bilden einen Kompromiss zwischen notwendiger Dämpfung, zusätzlichem Aufwand und zusätzlicher Masse. Damit stehen sie, ähnlich wie die passive Dämpfung über Zusatzmassen, im Widerspruch zum Leichtbau.
Für bewegte Baugruppen von Werkzeugmaschinen, deren Auslegung nach Leichtbaukriterien erfolgt, werden seit einigen Jahren erfolgreich Sandwichkonstruktionen mit Aluminiumschaum-Kernlagen eingesetzt. In den Aluminiumschäumen kommt es über lokale mikroplastische Verformungen und Reibung von Rissufern zur Schwingungsdämpfung, ein gewünschter Effekt. Diese zur Schwingungsdämpfung notwendige Verformung läuft der Forderung nach hoher Steifigkeit zuwider. Die hochsteifen Decklagen der Sandwiches schränken die Verformung des Aluminiumschaums ein. Die ursächlich gewünschte hohe Steifigkeit mit möglichst kleinen Verformungen im Sandwich wirkt sich also kontraproduktiv bezüglich einer guten Dämpfung aus.
Abhilfe schaffen in den Aluminiumschaum eingelagerte partikelgefüllte Hohlkugeln. Diesen Verbundwerkstoff haben die Autoren HoverLIGHT genannt. Die in den Hohlkugeln frei beweglichen Partikel dämpfen auch bei Starrkörperbewegung über Reibung die Schwingungen des Bauteils. Im Halbzeug HoverLIGHT werden die Vorteile und Dämpfungsmechanismen sowohl von Aluminiumschaumsandwiches als auch von partikelgefüllten Hohlkugeln genutzt. Hover-LIGHT-Sandwichstrukturen erreichen beispielsweise bei einer Dichte von www.leichtbau-colloquium.de Sandwichstrukturen 1,2 g/cm³ die etwa 10-fachen Dämpfungswerte von Magnesium bei Steifigkeiten von ca. 50 GPa.
Die Projektpartner Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V., Chemnitz, und Fraunhofer Institut für Chemische Technologien, Pfinztal, befassten sich im Rahmen des dreijährigen Projektes „VliesRTM“ mit der Verarbeitung von Vliesstoffen aus rezyklierten Carbonfasern (rCF) im Hochdruck-RTM-Prozess sowie Nasspressverfahren. Als Ausgangsmaterial zur Vliesstoffherstellung dienten sowohl trockene, pyrolysierte als auch bebinderte Carbonfaserabfälle. Neben unterschiedlichen Vliesbildeverfahren wurden zudem unterschiedliche Verfestigungsverfahren getestet. In Kooperation mit der Firma Karl Mayer Technische Textilien GmbH (KMTT), Chemnitz, entstanden zusätzlich Vliesstoffkomplexe. Die Kombination aus rCF-Vliesstoffen mit Carbonprimärfasertapes ermöglichte sowohl die Verwertung von Carbonfaserabfällen als auch die Erzielung höherer mechanischer Eigenschaften im Vergleich zu klassischen Carbonfaservliesstoffen.
Die Verarbeitung von Thermoplasten mittels des Fused Filament Fabrication-Verfahrens bietet die Möglichkeit, ohne zusätzliche Fertigungswerkzeuge endlosfaserverstärkte Kunststoffe herzustellen. Eine mikroskopische Untersuchung des Materials zeigt, dass es, bedingt durch den Ablauf des Fertigungsverfahrens, zu Lufteinschlüssen mit unterschiedlicher Größe kommt. Die Ermittlung der Materialparameter mittels eines repräsentativen Volumen Elements (RVE) zeigt eine gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Parametern. Die Lufteinschlüsse haben aber nicht nur Auswirkungen auf die Materialparameter, sondern können unter bestimmten Belastungsfällen auch zu einem vorzeitigen Knicken des Bauteils führen.
Thermoplastische Composites können in kurzen Zykluszeiten verarbeitet werden. Das ist einer der wichtigsten Vorteile dieser Materialklasse. Das flächige Halbzeug wird bis über die Schmelztemperatur der Matrix erwärmt, anschließend rasch in ein Umform- oder Spritzgießwerkzeug transportiert und dort umgeformt, rekonsolidiert und auf Entformungstemperatur abgekühlt. Die Prozesstechnologie stellt hohe Anforderungen an die Effizienz und die Präzision bei den Heizprozessen und ist teilweise sehr zeitkritisch. Als Heizverfahren hat sich die Infrarot-Heiztechnik durchgesetzt. Thermoplastische Composite-Halbzeuge bis etwa 1,0 mm Wanddicke können meist einseitig erwärmt werden. Bei dickeren Halbzeugen ist oft eine beidseitige Erwärmung erforderlich. Besonders viel Aufmerksamkeit muss dabei auf die Prozess-Regelungstechnik verwendet werden. Einerseits ist es wichtig, dass die Prozesse rasch ablaufen, damit die Aufheizvorgänge in der Zykluszeit der Spritzgießmaschine dargestellt werden können. Zum anderen darf das Material nicht überhitzt werden. Zudem gilt es, eine hohe Temperaturhomogenität zu erreichen.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, kommen als Sensoren zahlreiche Pyrometer zum Einsatz. Die Messdaten werden mit anspruchsvoller Prozessregelungs-Software weiterverarbeitet. Dabei werden nicht nur die einzelnen Regelstellen justiert, sondern es werden die Aufheizverläufe miteinander abgeglichen. Daneben kommen Korrekturwerte zum spezifischen Absorptionsverhalten der Materialien zur Anwendung. Besonders fordernd wird die Aufgabe, wenn im gleichen Infrarot-Ofen Halbzeuge mit unterschiedlichen Dicken aufgeheizt werden müssen.
In diesem Beitrag wird ein technisches Konzept vorgestellt, das es ermöglicht, Halbzeuge mit großen Dickenunterschieden gemeinsam aufzuheizen. Das System wurde anhand eines Türstruktur-Bauteils erprobt. Innerhalb von 70 s Zykluszeit konnten damit thermoplastische Composite-Halbzeuge mit 0,6 mm, 1,0 mm und 2,5 mm Wanddicke zu einem lastpfadgerechten Composite-Bauteil verarbeitet werden. Neben der Infrarot-Heiztechnik wird in dem Beitrag die ebenso essenzielle Automatisierungstechnik beleuchtet.
Continuous fiber reinforced polymers based on thermoplastic matrices permit short cycle times as no curing step is needed and ancillary times can be reduced. Thus, they are promising candidates for high volume production of lightweight structures. In this paper a processing chain developed by Neue Materialien Bayreuth GmbH (NMB), named FORCE – Functionalized Oriented Composites is discussed: It enables cost efficient production of parts with tailored reinforcements employing unidirectionally fiber reinforced tapes (UD-tapes). State of the art preforming concepts result in high material scrap (often above 25 %), which consequently leads to elevated material costs. Furthermore, machine technologies known from thermoset based aerospace processes are too slow to serve in line with the cycle time of an injection molding press. In this work, a concept for a high-speed tape laying machine, based on two tables, first one for lay-up, the second one – which is turnable – for orientation and stacking, is presented. The equipment called FORCE Placement uses up to four different UD-tapes with different width in order to compromise between minimum laying time and reduced scrap. Besides the machine concept, a digital twin of the equipment which allows a virtual planning of the lay-up strategy and provides an estimation on costs and CO2 footprint of the intended preform is established. Furthermore, a cradle to gate life cycle assessment for an exemplary demonstrator part has been performed considering two different preform lay-ups. It is shown that in order to achieve the minimum CO2 footprint, saving potentials on the side of materials and process technologies must be used equally. Loadoptimized hybrid structures consisting of glass and carbon fiber reinforcement are shown to be an appropriate concept.
Im vorliegenden Beitrag wird eine Prozessmodifikation auf Basis des Pultrusionsprozesses vorgestellt, welche es ermöglicht, Faser-Kunststoff-Verbundprofile (FKV-Profile) während der Fertigung mit einer metallischen Oberflächenschicht zu funktionalisieren. Vorrangiges Ziel der Metall-Funktionalisierung ist dabei die Erweiterung der Fügeoptionen für die FKV-Profile. Der Beitrag gibt zunächst einen Einblick in die Prozessentwicklung und Fertigung der hybriden Profilkomponenten. Es werden Untersuchungen zu verfahrens- und werkstofftechnischen Einflüssen auf die Verbundhaftfestigkeit zwischen dem Metall und FKV dargelegt. Für den branchenübergreifenden und wirtschaftlichen Einsatz der hybriden Pultrusionsprofile wird zudem das Laserstrahlschweißverfahren als anschließende Fügeoption validiert.
Durch die steigende Nachfrage nach ressourceneffizienten und nachhaltigen Produkten rückt das werkstoffliche Recycling und die Verwendung von Recyclingmaterialien immer stärker in den Vordergrund. Eine Möglichkeit dazu ist die Verwendung von sogenannten Rezyklaten aus dem Post Consumer Bereich. Rezyklate benötigen je nach Polymertyp für deren Aufbereitung bis zu 70 % weniger Sekundärenergie für die Herstellung als Neuwarenkunststoff. In dieser Veröffentlichung wird die Substitution eines Neuwarenmaterials (Polypropylen mit 30 Gewichtsprozent Talkum (PP TC30)) durch ein Rezyklatmaterial (Polypropylen mit 30 Gewichtsprozent Talkum (rPP TC30)) an einem Spülmaschinengeräteträger vorgestellt. Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften unter statischer und zyklischer Belastung zeigen die Unterschiede von Neuwaren- und Rezyklatmaterial auf. Analytische Untersuchungen auf molekularer Ebene beschreiben diese Unterschiede. Auf Basis der mechanischen Untersuchungen wird ein zyklischer Festigkeitsnachweis eines Türöffnungsmechanismus eines Geräteträgers einer Geschirrspülmaschine erstellt. Dieser zeigt die Substitution des Neuwarenmaterials durch das Rezyklatmaterial.
Der Leichtbau ist mittlerweile in allen Bereichen der Technik als Querschnittstechnologie verankert. Dementsprechend ist zunehmend wichtig, die Methodik der Realisierung und die Wissensweitergabe in den Blick zu nehmen. Eine Realisierung von leichten Produkten erfordert die synergistische Betrachtung von Werkstoffen, konstruktiver Gestaltung und Verbindungstechnik, aber auch Leichtbaumanagement und Wissenstransfer. Erst wenn diese Dinge zusammenkommen, lässt sich auf Produktebene das erreichen, was die Nutzer des Produkts benötigen: ausreichende Leistungsfähigkeit, hohe Zuverlässigkeit, akzeptabler Preis. Nachfolgend werden diese Bereiche konkretisiert. Auch der Wissenstransfer ist wichtig, da man sonst nicht überall mit der direkten Anwendbarkeit von Leichtbaukenntnissen und -vorgehensweisen rechnen kann. Wenn nur einige wenige Leute mit Leichtbau vertraut sind, ist keine Querschnittsakzeptanz erreichbar, zumal bei der heutigen Arbeitsteilung mit Komponenten über verschiedene Unternehmen
hinweg. Wenn man sich überlegt, wie diese synergistische Sichtweise in einem heute attraktiven „Werkzeug“ abgebildet werden kann, kommt man zur Plattform Profs Future Letter, die demnächst verfügbar ist und die nachfolgend erläutert wird. Insgesamt ist die zukunftsgerichtete Botschaft des Beitrags, auch bei Detailarbeiten immer auf die Notwendigkeiten der Gesamtheit zu achten. Dazu sollten die heute verfügbaren Möglichkeiten genutzt werden, was örtlich und zeitlich flexibel sein muss.
Large-scale material extrusion processes, especially for thermoplastic polymers, have become increasingly common in research and industry in recent years. Due to the new time and size dimensions of the extrudate strands to be deposited, compared to small-scale manufacturing processes, challenges are revealed that have not yet been sufficiently researched to this extent. The present work is intended to make a numerical contribution to this in order to obtain a better understanding of the manufacturing processes and to investigate the influences on the temperature field as a result of different printing parameters and the selected deposition path. Further a workflow is presented on how the source code generated by the slicer can be incorporated into the thermal model. As a conclusion of the numerical results obtained, it can already be stated that the selected process parameters have a considerable influence on the temperature field, especially through the nozzle variation.