UD-Tapes in 3D effizient ablegen und fügen
Der F³-Compositor ermöglicht die automatisierte und multiaxiale Ablage sowie das gleichzeitige in-situ Fügen von thermoplastischen UD-Tapes.
Eine lastpfadgerechte und materialeffiziente Faserverstärkung von Bauteilen wird durch den Einsatz von UD-Tapes möglich. Werden diese bei der Herstellung dreidimensional (3D) abgelegt, bieten sich viele Gestaltungsfreiheiten – insbesondere für Leichtbaukomponenten, die in geringer Stückzahl gefertigt werden.
In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS hat die Firma Automation Steeg & Hoffmeyer (ASH) eine Anlage namens F³-Compositor entwickelt. Der F³-Compositors vereint das UD-Tape-Ablegen und Fügen der Halbzeuge – und das mit hoher Reproduzierbarkeit und Materialeffizienz.
UD-Tapes unterstützten den Leichtbau
Leichtbauteile, die geringes Gewicht mit hoher Belastbarkeit vereinen, sind gefragt. Hier bieten unidirektional endlosfaserverstärkte Tapes (UD-Tapes) auf thermoplastischer Basis ein großes Potenzial. Mit diesen UD-Tapes lassen sich die Stellen eines Bauteils, die besonders stabil sein müssen, gezielt stärken, ohne das Bauteil dabei sehr viel schwerer zu machen.
Für Leichtbaukomponenten, die in geringen Stückzahlen gefertigt werden, bietet sich dabei das Ablegen der UD-Tapes in drei Dimensionen an. Nur in der 3D-Ablage lassen sich sehr individuelle Design-Lösungen mit geringem Materialverbrauch kombinieren. Ein Beispiel sind Orthesen aus der Medizintechnik: Diese können mit UD-Tapes in 3D-Ablage spezifisch auf Patienten angepasst werden, gleichzeitig sehr leicht und dabei hochbelastbar sein.
UD-Tapes auf 3D-geformten Geometrien ablegen
„Damit dies gelingt, muss allerdings das sehr genaue Ablegen auf komplexen und 3D-geformten Geometrien möglich sein. Denn das Ablegen bestimmt die Position der UD-Tapes und die Orientierung der darin enthaltenen Verstärkungsfasern in Bezug auf das Bauteil. Nur die korrekte Ablage stellt also sicher, dass tatsächlich die gewünschte Faserorientierung und damit die angestrebte Belastbarkeit im späteren Bauteil erreicht wird“, sagt Moritz Vyhnal, verantwortlich für das Thema „Thermoplast-Tapelegen“ am Fraunhofer IMWS.
Gemeinsam mit dem Fraunhofer IMWS wurde von ASH nun ein Gerät entwickelt, das die Vorteile des 3D-Tape-Legens umsetzt und dabei eine hohe Reproduzierbarkeit bei der Produktion kleiner Stückzahlen sicherstellt. Das F³-Compositor genannte Gerät ermöglicht die automatisierte und multiaxiale Ablage sowie das gleichzeitige in-situ Fügen von thermoplastischen UD-Tape-Halbzeugen.
Sechs-Achs-Roboter mit Legekopf und Wärmequelle
Der Sechs-Achs-Roboter mit Lege-Kopf und integrierter Wärmequelle erlaubt das linienförmige oder flächige Ablegen von Tape-Einzelbahnen oder -Patches mit Legegeschwindigkeiten von bis zu 1 m/s. „Im komplexen 3D-Raum ist eine konstante Geschwindigkeit beim Ablegen der UD-Tapes von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Ergebnisse. Dafür bieten wir nun eine Lösung, die zudem sehr materialeffizient ist und mit geringem Aufwand für verschiedene Tape-Breiten angepasst werden kann“, sagt Vyhnal. „Und durch den materialeffizienten Ansatz ist auch der Einsatz von kostenintensiven UD-Tapes mit Carbonfaserverstärkung wirtschaftlich möglich.“
Aktuell ist mit dem F³-Compositor im Fraunhofer PAZ-Technikum in Schkopau, einer Gemeinschaftsanlage des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP und des Fraunhofer IMWS, die Verarbeitung von Tape-Breiten von 3 mm bis 12 mm möglich. Eine speziell für diese Anwendung entwickelte Software der Firma SWMS Systemtechnik ermöglicht die benutzerfreundliche Programmierung sowie Prozesssimulation der Anlage mittels CAD-Daten für Materialverbrauch, Kollisionsprüfung, Zykluszeit-Ermittlung und weitere Parameter.
Kürzlich wurde das PAZ-Technikum um einen 2D-Leger erweitert, der belastungsgerechte, ebene Tape-Laminate mit geringem Verschnitt-Abfall legen kann. mg
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