Composites-Reifeprüfung

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Automatisierte Produktion sichert Einhaltung validierter Prozesse

Wie vielschichtig die Vorgehensweise bei der Auslegung von Bauteilen sein kann, demonstrieren US-amerikanische und britische Experten am Beispiel von Strukturteilen eines neuen Hubschraubers. Im Rahmen eines Re-Designs mussten die duroplastischen Fairing Ribs von der bisherigen Fertigung im Compression-Moulding-Verfahren auf diskontinuierlich langfaserverstärkte thermoplastische Composites umgestellt werden. Doch die sich zufällig ergebende Faserstruktur erschwerte die Bauteilauslegung. Ein neuer Lösungsansatz setzt auf der vorhergesagten Faserausrichtung auf und führt die Testergebnisse zurück in ein FEM-Modell für die Spannungsanalyse. Dafür kommt eine mikromechanische Prüfung des nichtlinearen Materialverhaltens mit progressiver Zerstörung zum Einsatz. Hierbei zeigt sich, dass die Vorhersagen mit einer hohen Treffsicherheit erreicht werden. Damit steht der Weg offen, die neuen Fairing Ribs um rund 55 Prozent leichter zu bauen als die früher eingesetzten Aluminiumrippen und ausserdem eine Menge an Arbeitsaufwand einzusparen.

Um zu sicheren Vorhersagen über die Belastbarkeit thermoplastischer Composites zu kommen, ist es wichtig, auch die Produktionsprozesse mit einer hohen Reproduzierbarkeit zu gestalten. In diesem Zusammenhang präferiert das US-Unternehmen Automated Dynamics automatisierte additive Produktionsprozesse. Dazu gehört – als In-situ-Prozess – die automatisierte Platzierung der Verstärkungsfasern einschliesslich der sich unmittelbar anschliessenden Konsolidierung – ohne den Bedarf an teureren Autoklaven, wie dies beim Thermosetprozess der Fall ist. Das Beispiel führt deutlich vor Augen, dass Teile nicht mit einem Federstrich von einer duroplastischen Matrix auf eine thermoplastische umgestellt werden können, sondern eine komplett neue Prozesskette geschmiedet werden muss: vom Design über die Auslegung der Bauteile bis hin zu den Produktionsverfahren.

Wer die Vorteile der thermoplastischen CFK-Composites nutzen will, muss sich gleichermassen mit den Werkstoffen und mit den Prozessen befassen. Dies unterstreicht auch eine Entwicklung des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau an der RWTH Aachen. Mit dem neuen VCSEL-Verfahren können thermoplastische Tapes und sogar heterogene Fasern, wie zum Beispiel Glas- und Carbonfasern, mit hohen Freiheitsgraden zu komplexen Bauteilen gelegt und mithilfe der Lasertechnik Schritt für Schritt konsolidiert werden. Dafür wird die Leistung des eingesetzten Lasersystems unter Berücksichtigung der Werkstoffe und Geometrien geregelt, damit einerseits eine sichere Aufschmelzung der Polymere erreicht wird und andererseits keine Degradierung derselben stattfindet. Mit diesem Verfahren wird es dank der reproduzierbaren Prozessführung möglich, auch sicherheitskritische Bauteile wie Druckbehälter herzustellen und dabei die Risiken aus der Herstellerhaftung im Griff zu behalten. -mei- SMM

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