Abgeschlossene Projekte

Hier finden sich die in letzter Zeit abgeschlossenen Forschungs- und Kooperationsprojekte des PuKs. Wenn Sie auf der Suche nach den aktuell laufenden Projekten sind, klicken Sie bitte auf den Link.

Entwicklung eines simulationsgestützten Verfahrens zur schnellen Imprägnierung großer und komplexer Strukturen auf Basis neuartiger textiler Halbzeuge mit integrierten temporären Strömungskanälen

Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann
Zeitraum: 01.01.2016-28.02.2019
 
Dieses Projekt hat den AVK-Preis 2019 gewonnen.
 
Ziel des interdisziplinären, branchenübergreifenden Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur simulationsgestützten, textiltechnischen Integration temporärer, sich nach der Infiltration schließender Strömungskanäle in Verstärkungshalbzeuge. Im zu entwickelnden Verfahren sollten die Infiltrationszeiten zur Herstellung komplex geformter, großflächiger FKV-Strukturen mit homogener Faserverteilung im Infusionsverfahren in reproduzierbar hoher Qualität drastisch reduziert werden. Im Fokus stand hierbei die Variation der Permeabilität der Halbzeugstruktur durch die Integration von Kanälen für die Optimierung des Infiltrationsprozesses. Dafür wurden am ITM neuartige Funktionsfadenstrukturen und Textilkonstruktionen mit temporären Strömungskanälen entwickelt. Für grundlegende Permeabilitätsuntersuchungen erfolgten die Entwicklung und Umsetzung textiler Funktionsmuster mit fertigungstechnisch integrierten Strömungskanälen in Schuss- und in Kettrichtung. Darüber hinaus wurde eine Anordnung der Strömungskanäle mit davon abweichender, frei wählbarer Ausrichtung für 3-dimensionale komplexe Bauteile entwickelt. Für eine dennoch homogene Faser-Matrixverteilung im Bauteil und somit gleichbleibend hohen mechanischen Eigenschaften konnten die Strömungskanäle nach dem Infiltrationsprozess aber vor Abschluss der Harzvernetzungsreaktion wieder geschlossen werden, indem die Funktionsfäden im Harzsystem temperaturinduziert aufgelöst und die komprimierten Rovings freigegeben wurden. Für die erfolgreiche Steuerung dieses Prozesses wurden die Wechselwirkungen und Zusammenhänge zwischen der Dimensionierung (Höhe, Breite) und Anordnung der Strömungskanäle, dem temperaturabhängigen Auflöseverhalten der Funktionsfäden und der Prozessparameter bei der Harzinfiltration, im Hinblick auf die Modellaufbereitung für eine Fließsimulation systematisch untersucht. Mit Hilfe geeigneter Messmethoden wurde die Ausbreitung der Fließfronten in den Strömungskanälen und Verstärkungsfasern (Dual-Scale-Eigenschaften) der Funktionsmuster charakterisiert. Diese Ergebnisse sind Voraussetzung für die gezielte Anpassung der Simulationswerkzeuge für eine zielgerichtete Auslegung der textilen Halbzeuge. Der Nachweis einer erfolgreichen simulationsgestützten Auslegung derartiger Strukturen erfolgte anhand der Umsetzung von zwei Demonstratoren (Klöpperboden, Motorhaube). Die Ergebnisse zeigen, dass je nach Bauteilgröße und Komplexität unter Verzicht von Fließhilfen eine Reduktion der Infiltrationszeiten von bis zu 50% erreicht werden kann. Somit ist eine wesentliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Bauteilherstellung ohne Beeinträchtigung der Imprägnierqualität realisierbar. Mit Unterstützung des branchenübergreifend zusammengesetzten projektbegleitenden Ausschusses wurden von den FE die ermittelten Ergebnisse für eine breite industrielle Anwendung von Harzinfusionsverfahren als Leitfaden für die KMU zusammengefasst, der diesen nach Projektende zur Verfügung steht.
 
Den Abschlussbericht zum Projekt können Sie hier herunterladen.

ZIM-Kooperationsnetzwerk „Mikrosysteme auf Basis multifunktionaler Materialverbunde“

Verantwortlich: Eggers, A.

Das Kooperationsnetzwerk „Mikrosysteme auf Basis multifunktionaler Materialverbunde“ (MS Multi Mat) ist ein starker Zusammenschluss von Unternehmen und Forschungseinrichtungen, welche sich das Ziel gesetzt haben, die Entwicklung und Herstellung von marktfähigen Mikrosystemtechnikprodukten für die Bereiche Elektronik, Optik, Medizintechnik und Diagnostik voranzutreiben.
Die steigenden Anforderungen des Marktes nach sehr kurzen Entwicklungs- und Produktionszyklen bei zunehmend komplexerem Anforderungsprofil, wie beispielsweise die steigende Miniaturisierung oder neuartige Multifunktionalitäten, erfordern eine schnelle und effiziente Umsetzung von F&E Vorhaben.
Wir unterstützen durch unseren Verbund vor allem kleine und mittelständische Unternehmen bei diesen Herausforderungen und entwickeln gemeinsam Forschungsansätze für neuartige Lösungen. Dabei wird die gesamte Produktionskette berücksichtigt. Die Kompetenzgebiete von „MS Multi Mat“ umfassen dabei fünf Bereiche Sensorik, Materialverbunde, Oberflächentechnik, Mikrospritzguss und Additive Fertigung.
Mehr zum Netzwerk erfahren Sie unter www.msmultimat.de.

Umformtechnologie für komplexe Leichtbaustrukturen mit polymeren Schäumen in Verbundbauweise

Verantwortlich: Oehl, G.

Ziel des Projektes ist es einen Prozess zu entwickeln der die Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Schaum-Sandwichverbund ermöglicht, welches die Brandschutzanforderungen der Luftfahrtindustrie erfüllt. Der Flammschutz wird dabei durch die Auswahl geeigneter und bestenfalls branchenspezifisch zertifizierter Ausgangsmaterialien erzeugt. Die Materialselektion und -entwicklung steht in direkter Wechselwirkung mit der Prozessentwicklung, da verschiedene Ausgangsmaterialien unterschiedliche Verarbeitungsprozesse benötigen. Für komplexe Strukturelemente ist eine entsprechende Umformstrategie zu entwickeln. Das ausgehärtete Sandwich kann bei der Verwendung duromerer Deckschichten nicht mehr umgeformt werden, sodass die Formgebung vorher erfolgen muss. Angestrebt wird daher eine Prozessroute, bei der der thermoplastische Schaum und das Textil zusammen umgeformt und mit dem noch flüssigen Harzsystem imprägniert werden. Um Werkzeug- und Prozesskosten zu sparen wird in diesem Projekt daher ein einstufiger Prozess entwickelt, in dem die Sandwichverbunde ohne den Einsatz einer Heißpresse oder eines Autoklaven nur unter Verwendung eines Vakuums hergestellt werden können. Schematisch ist dieser Ablauf in Abbildung 1 dargestellt. Durch das Umformen der Decklagen zusammen mit dem Schaumkern und der im selben Werkzeug stattfindenden Imprägnierung soll es möglich sein komplexe Bauteile in kurzer Zeit endgeometrienah zu fertigen. // Die Materialauswahl und –entwicklung unterstützt dabei die Optimierung des Prozesses durch Vorversuche im Labormaßstab. Es wird überprüft, in wie weit Schaum und Harz kompatibel sind und wie beispielsweise durch die Exothermie der Aushärtereaktion des Harzes die Umformung thermisch unterstützt werden kann. Außerdem soll die Möglichkeit bestehen metallische Krafteinleitungselemente in das Bauteil zu integrieren ohne weitere Nachbearbeitungsschritte durchzuführen. Hierfür sind verschiedene Techniken zu erproben, die jedoch alle auf eine Insertintegration direkt im Umformprozess abzielen. Das Umformwerkzeug wird hierfür mit passenden Aussparungen bzw. Pins versehen, um die Inserts sicher zu positionieren.

ROBUFIL

Verantwortlich: Detampel, H.

Zeitraum: 01.01.2016 - 31.12.2018

Zur Sicherung einer leistungsfähigen und effizienten Luftfahrt ist die (Weiter-)Entwicklung und Optimierung von Fertigungsprozessen, die das Leichtbaupotential von Luftfahrtstrukturen erhöhen und damit zu einem umweltverträglichen Lufttransportsystem beitragen von zentraler Bedeutung. Das Projekt ROBUFIL leistet einen Beitrag mit der Entwicklung einer Fertigungsanlage und der zugehörigen Technologien für die automatisierte Herstellung von CFK-Strukturen mittels Automated-Fibre-Placement (AFP) und Automated-Tape-Laying (ATL), welche die Kombination von ATL- und AFP-Verfahren in einem Bauteil sowie Fibre-Placement mit unterschiedlichen Halbzeugarten ermöglicht. Das Gesamtziel des Vorhabens ist die prozesstechnische Optimierung der Verfahren Fiber Placement und Tapelegen, wobei der Schwerpunkt bei einem robusten Fiber Placement Prozess liegt. Das Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik bringt sich hier besonders in Fragestellungen das Material und die Demonstratorbauteilauslegung betreffend ein.

Es wird zunächst ein Basismaterial auf Epoxidharzbasis und aufbauend auf den Erkenntnissen als Optionssystem ein bebindertes Dry Tape oder ein thermoplastisches Prepreg untersucht. Eine tiefergehende Analyse des Ausgangsmaterials und des aus dem Ablageprozess hervorgehenden Laminats in Bezug auf die Prozessparameter, insbesondere das Zusammenwirken von Temperatur (Heizmethode und ‐rate), und damit des Viskositätsgrades der Matrix und dem Kompaktierungsverhalten des Materials sowie die Interaktion des Halbzeugs mit den Oberflächen des Fördersystems zu verstehen und beschreiben, erlaubt ein praktikables Materialmodell für den Prozess zu ermitteln und eine Optimierung der Ablegezeiten zu erreichen. Zusätzlich sollen im Rahmen dieser Versuche und Analysen Auslegungsmethoden für in diesem Verfahren hergestellte Bauteile erarbeitet und bewertet und so die leistungsfähige und kostengünstige Herstellung von Luftfahrtbauteilen unterstützt werden. Die Technologiedemonstration zum Ende des Vorhabens verfolgt das Ziel, die im Labor eruierten Zusammenhänge auf die Fiber Placement Anlage zu übertragen, indem der Einfluss der Prozessparameter auf die Laminatqualität direkt an der Anlage untersucht wird.

Das Projekt ROBUFIL ist eine Kooperation des Instituts für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der Technischen Universität Clausthal, der Brötje Automation Composites GmbH und der SWMS Systemtechnik Ingenieurgesellschaft mbH und wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

 

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