Neue Technologien der Faserverbundtechnik

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1 Neue Technologien der Faserverbundtechnik Potenzielle zukünftige Anwendungen für hochdynamische Vorschubsysteme Dr.-Ing. Michael Emonts Dipl.-Ing. Henning Janssen Aachen, den Gliederung 1 Überblick über die Faserverbundtechnik 2 Einsatzpotenzial von FVK in Werkzeugmaschinen 3 Innovative Produktionsverfahren 4 Zukünftige Anwendungen in Werkzeugmaschinen Seite 1

2 Gründe für den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) Mechanische Eigenschaften Geringe Dichte Erhöhte Steifigkeit Erhöhte Festigkeit Erhöhung der Reißlänge Verbesserte Sicherheit Chemische Eigenschaften Inertheit Korrosionsbeständigkeit Chemikalienbeständigkeit Optische Eigenschaften Hohe Gestaltungsfreiheit Leichtbaupotenzial Langzeitbeständigkeit Design Seite 2 Matrix-/ Fasermaterialien und Faserformen Matrix Verstärkungsfasern Polymere Duroplast Thermoplast Metalle Keramiken Glas Kohlenstoff Kohlenstofffaser Glasfaser Aramidfaser Borfaser Keramikfaser Kurz-/ Langfasern Endlosfasern Nicht orientiert Orientiert Nicht orientiert Orientiert Seite 3

3 Halbzeuge und Faserarchitekturen Halbzeugformen: (trockene Textilien oder vorimprägniert) Unidirektionale Gelege Eigenschaften von Faserverbundbauteilen sind abhängig von: Faser- und Matrixwerkstoff Faserausrichtung Faservolumengehalt Anzahl der Faserlagen Grundregeln für die Bauteilauslegung Biaxiales Gewebe Multiaxiales Gewebe Gestrick Hoher Faservolumenanteil Fasern in Richtung der angreifenden Last Möglichst symmetrischer Laminataufbau Großflächige Krafteinleitung 3-dimensionales Geflecht 3-dimensionales Gewebe mit orthogonaler Bindung Seite 4 Unterscheidung der Matrixsysteme Duroplast Thermoplast Räumlich vernetzt amorph teilkristallin [Quelle: 12/06] Seite 5

4 Mechanische Eigenschaften von Kohlenstofffasern Zugfestigkeit [GPa] 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 T300 T700 T1000 T800 M40J M40 Hochfeste Fasern (HT) M50 Hochmodul- Fasern (HM) M55J M65J Titan Stahl 1, Kohlenstofffaser Struktur der Kohlenstofffaser E Theoret. II = 1050 GPa R M, theoret. II = 100 GPa E Theoret. T = 36 GPa Min. Dichte: 1,74 g/cm³ E-Modul: GPa Max. R m : 2,7 4,9 GPa Bruchdehnung: 0,5 2,4 % Preisspanne: /kg starke kovalente Bindung Faserrichtung schwache van der Waals sche Bindung Quelle: Toray E-Modul [GPa] Seite 6 Übersicht über verschiedene Kohlenstofffasern Fasertyp Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [GPa] Dehnung [%] Dichte [g/m 3 ] Anzahl der Filamente Preis [ /kg] , T T800S , M40J , M46J , M55J , > 550 M60J > 2000 Quelle: Soficar-Carbon, TORAY: Stand: August 2011 Seite 7

5 Derzeit eingesetzte FVK-Herstellungsverfahren Einsatz von duroplastischen Harzen Zeitintensive chemische Vernetzung Energieintensive Aushärtung im Autoklaven oder Ofen Verschmutzung der Produktionsanlagen und der Umwelt Niedriger Automatisierungsgrad Intensive Nutzung von Lösungsmitteln Geringe Schadenstoleranz Schlechte Rezyklierbarkeit Hohe Lagerhaltungskosten Einsatz von Verstärkungsfasern in Form von Geweben/ Gelegen Verringerte Steifigkeit und Festigkeit aufgrund von Faserwellung Begrenzte Formbarkeit Fasertränkung bei komplexen Bauteilen Fehlerintensiv Komplexe und rechenintensive Simulation Hohe Produktionskosten Seite 8 Gliederung 1 Überblick über die Faserverbundtechnik 2 Einsatzpotenzial von FVK in Werkzeugmaschinen 3 Innovative Produktionsverfahren 4 Zukünftige Anwendungen in Werkzeugmaschinen Seite 9

6 Beanspruchung mechanischer Funktionselemente spanender Werkzeugmaschinen Spanende Werkzeugmaschinen Bearbeitungszentrum Fräsmaschine Drehmaschine Schleifmaschine z. B.: Maschinengestell Mechanische z. B.: Spindelkasten Funktionselemente z. B.: Vorschubschlitten z. B.: Hauptspindel Geometrische Anforderung Beurteilungskriterien Akustisches Verhalten Kinematische Anforderung Statische Belastung Thermische Belastung Dynamisches Verhalten Quelle: Weck Seite 10 Anforderungen an dynamisch beanspruchte Maschinen- Komponenten Geringe Masse: Verringerte Antriebsleistung (leichtere, kostengünstigere und kleinere Antriebe, geringerer Energieverbrauch) Höhere Dynamik bzw. Beschleunigung Höhere Drehzahlen aufgrund geringerer Zentrifugalkräfte Höhere Eigenfrequenzen der Maschinenkomponenten Geringeres Maschinengesamtgewicht (Transport) m k F c x Einflussparameter Masse m Steifigkeit k Dämpfung c x F 1 c max m k Höhere Steifigkeit Höhere Bearbeitungspräzision (geometrisch) Höhere Eigenfrequenzen der Maschinenkomponenten Höhere Dämpfung Verbesserte Bearbeitungsqualitäten/ Oberflächenqualität Reduktion von Rattermarken/ Vibrationen Im{x/F} Re{x/F} m*=0,5m c*=2c k*=2k Original System (m, c, k) Faserverbundkunststoffe kombinieren geringe Masse mit hoher Steifigkeit und Dämpfung und sind damit ein idealer Werkstoff für dynamisch beanspruchte Maschinen-Komponenten Seite 11

7 Stand der Technik CFK-Linearachse CFK-Rotor CFK-Linearschlitten CFK-Spindel Stand der Forschung und Entwicklung (Ergebnisse aus öffentlich geförderten Projekten) CFK-Linearachse CFK-Linearschlitten CFK-Spindel CFK-Spindelgehäuse CFK-Roboterachse CFK-Fräsportal Industrielle Anwendungen CFK-Armierung für High-Speed Synchronmotoren (e+a) CFK-Roboterachsen (Kuka) CFK-Fräsportal (EEW Maschinenbau GmbH) CFK-Rollen in Druckmaschinen (Heidelberger Druckmaschinen) CFK-Spannmittel (Hainbuch) CFK-Handlingsysteme Quelle: e+a, EEW, Kuka Seite 12 Performancevergleich von Werkzeugmaschinenkomponenten aus Stahl und CFK Verlagerung z [ m ] Verlagerung z [ m ] Verlagerung bei konstanter Drehzahl Stahl CFK Zeit t [ min ] Verlagerung bei intermittierender Drehzahl CFK Stahl Zeit t [ min ] Drehzahl n [ min ] -1 Drehzahl n [ min ] Deutliche Reduzierung der thermischen Verlagerung des Kegeladapters durch Ausnutzung des negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Kohlenstofffasern Erhöhung der Dynamik durch Reduzierung der bewegten Masse Erhöhung der Steifigkeit und Dämpfung durch Verwendung hochsteifer Fasern (HM= High Modulus) Quelle: Fraunhofer IPT Seite 13

8 Anwendungsfelder im Werkzeugmaschinenbau Nutzbarkeit der Eigenschaften von FVK Leichtbau Vorteile für Werkzeugmaschinen Höhere erreichbare Achsdynamik Verwendung kleinerer Antriebsmotoren und Führungselemente Energieeinsparung Thermostabilität Vorteile für Werkzeugmaschinen Steigerung der Produktivität durch höhere Prozessqualität Steigerung der Maschinengenauigkeit FVK bieten hohe Einsatzpotenziale in Werkzeugmaschinen Dem hohen Einsatzpotenzial von FVK stehen einige Restriktionen entgegen: Berechnungsintensive Auslegung der Bauteile Aufwändige und schlecht automatisierbare Herstellungsverfahren, die zu geringer Reproduzierbarkeit und hohen Produktionskosten führen Seite 14 Gliederung 1 Überblick über die Faserverbundtechnik 2 Einsatzpotenzial von FVK in Werkzeugmaschinen 3 Innovative Produktionsverfahren 4 Zukünftige Anwendungen in Werkzeugmaschinen Seite 15

9 Materialbestimmung: Auswahl des Matrixwerkstoffes Die Kraftleitung im Bauteil erfolgt hauptsächlich durch die Fasern. Jedoch beeinflusst die Auswahl des Matrixwerkstoff die Bauteileigenschaften erheblich. Der Matrixwerkstoff hat u.a. Einfluss auf: chemische Beständigkeit des Bauteils zulässige Einsatztemperatur des Bauteils Rissausbreitungsverhalten / Impactverhalten den Verarbeitungsprozess Industriell verbreitete FVK-Matrix-Systeme sind: Duroplaste (z. B. Epoxidharz) Thermoplaste amorph (z. B. Polyetherimid (PEI)) teilkristallin ( z. B. Polyamdid (PA)) Seite 16 Vergleich von duro- und thermoplastischen Matrixwerkstoffen Rissausbreitungsverhalten / Impactverhalten: Duroplaste - sprödes Materialverhalten - geringe Duktilität - schlechte Schadensdetektierbarkeit - großflächige Delamination bei stoßartigen Belastungen - geringe Restdruckfestigkeit (CAI) Thermoplaste - schlagzäh (besonders teilkristalline Thermoplasten) - hohe Duktilität - geringe Delaminationsneigung - hohe Restdruckfestigkeit (CAI) Quelle:[IKB05], [Neitzel06], [ILB09] Compression after impact Test (CAI) Seite 17

10 Vergleich duroplastischer und thermoplastischer Matrixsysteme UP MF MF PF PF EP EP PP PEEK PA11 PA11 HDPE HDPE UP Ungesättigtes Polyesterharz-Formmasse 2,5 /kg ; ρ = 2 g/cm 3 MF Melanin/Formaldehyd-Formmasse 6,5 /kg ; ρ = 1,5 g/cm 3 PF PF Phenol/Formaldehyd-Formmasse 8 /kg ; ρ = 1,4 g/cm 3 EP Epoxidharz-Formmasse 6 /kg ; ρ = 1,9 g/cm 3 PP Polypropylen 1,5 /kg ; ρ = 0,9 g/cm 3 Polyetheretherketon Polyamid 11 Polyethylen hoher Dichte ohne Bruch Schlagzähigkeit (DIN 53456) [kj/m 2 ] PEEK Duroplaste Thermoplaste 50 /kg ; ρ = 1,32 g/cm 3 PA11 PA11 5 /kg ; ρ = 1,04 g/cm 3 HDPE HDPE 1,35 /kg ; ρ = 0,96 g/cm ohne Bruch Kerbschlagzähigkeit [kj/m 2 ] Deutlich höhere Schlag- und Kerbschlagzähigkeiten von Thermoplasten bei gleichzeitig geringerer Dichte und Kosten im Vergleich zu Duroplasten Steigerung der passiven Sicherheit bei gleichzeitig verringerten Gewicht und Kosten ist durch den Einsatz von Thermoplasten möglich Quelle: Domininghaus, D.: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, Springer Verlag, 1998 ρ = Rohdichte nach DIN Seite 18 Vor- und Nachteile von thermoplastischen Polymermatrixsystemen Vorteile von Thermoplasten Kurze Verarbeitungszykluszeit Wiederverwertbarkeit Gutes Druck-, Stauch- und Knickverhalten Unbegrenzte Lagerbarkeit bei Raumtemperatur Hohe Bruchdehnung Hohe Schadenstoleranz Hohe Schlagzähigkeit Hohe Dämpfung Hoher Delaminationswiderstand Schweißbarkeit Gute Medienbeständigkeit Nicht toxisch Schwer Entflammbar* Geringe Wasseraufnahme* Nachteile von Thermoplasten Hoher Vorrichtungsaufwand zur Verarbeitung Kriechneigung Schwierige Imprägnierung aufgrund hoher Schmelzviskosität Schwierige Handhabung bei der Verarbeitung * Nur bei Hochleistungsthermoplasten * Michaeli89, Neitzel04, Femming99 Seite 19

11 Einsatzpotenzial von thermoplastischen FVK in Werkzeugmaschinen Mechanische Eigenschaften: Hohe Steifigkeit Hohe Festigkeit Sehr hohe Dämpfung Sehr gutes Impactverhalten (z. B. Spanflug) Thermische und chemische Eigenschaften: Hohe chemische Beständigkeit (z. B. Kühlschmierstoff): z. B. PEEK, PEKK, PPS, PA12 Gute Temperaturbeständigkeit: z. B. PEEK: T S >340 C Funktionale Eigenschaften: Einfache Funktionalisierung durch Schweißbarkeit: z. B. Beschichtung mit Folien, Krafteinleitungselemente Thermoplastische FVK erfüllen die Anforderungen und besitzen ein hohes Potenzial für den Einsatz in Werkzeugmaschinen. Die Herausforderung liegt in der Entwicklung automatisierbarer und wirtschaftlicher Produktionsverfahren. Seite 20 Vorteil von unidirektionalem (UD) Lagenaufbau Kurzfasern Langfasern Kontinuierliche Fasern* (Endlosfilamente) Textil Gewebe Gelege Leistungssteigerung von unidirektionalen zu gewebeverstärkten Blechstrukturen: 0.1mm 1mm 1mm 50mm Kritische Faserkrümmung Vollkonsolidierte undirektionale (UD) Schichten Kritischer Wirkfaden Stapelung Herstellung Prozess E-Modul: + 18,4% Festigkeit: + 38,6% Gewicht: -50% Verschnitt: - 50% bis - 75% Bauteilkosten: -30% schematisch real *Länge nur begrenzt durch Abmaße des Bauteils Seite 21

12 Vorteile der UD-Faseranordnung für das Umformen Unidirektionale Endlosfaserverstärkung Mechanische Eigenschaften Spritzgießen Fließpressen (hoher Druck) Umformen (niedriger Druck) Beste mechanische Eigenschaften bei geringer Wandstärke Reduzierung der Zykluszeit t Zyklus ~ s 2 Wand Energieeinsparung Q Wärme ~ s Wand Quelle: Bond Laminates Relative Faserlänge Ressourcen- und Energieeffizienz Seite 22 Anisotropie der mechanische Eigenschaften von CFK-Laminaten Elastizitätsmodul E Querkontraktionszahl v [Gpa] Schubmodul G unidirektionales Laminat ausgeglichener Winkelverbund Fasern müssen in Lastrichtung orientiert sein damit höchste spezifische Festigkeiten des Bauteils erzielt werden können 90 Winkel ± 45 Winkel 0 Winkel - Radiale Festigkeit - Torsionsfestigkeit Quelle: Weck -Schubfestigkeit -Torsionsfestigkeit - Axiale Festigkeit (Zug/Druck) Seite 23

13 Potenziale des Thermoplast-Tapelegeverfahrens Vorteilhafte verfahrenstechnische Eigenschaften Verkürzung der Prozesskette und Durchlaufzeit Kein Warmaushärtungsprozess im Autoklaven erforderlich Keine Kühlung der Halbzeuge erforderlich Vollautomatisierbarer Prozess Seitenansicht Laminat Werkzeugform Realansicht Positionierer (Roboter) Tapelegekopf Erzielbare Laminateigenschaften Belastungsoptimierte und ondulationsfreie Faserausrichtung Hohe Faservolumengehalte von über 60 Prozent Konsolidierungsrolle Draufsicht Laminat Vorteilhafte Thermoplasteigenschaften Gute Recyclebarkeit Hoher Delaminationswiderstand Schadenstolerantes Verhalten Hohe Medienbeständigkeit Tape Laminat Werkzeugform Seite 24 Produktionssysteme zum laserunterstützten Tapelegen/ -wickeln Mono-Tapelegekopf Multi-Tapelegekopf CAD-Modell Materialbevorratung Konsolidierungsrolle Konsolidierungsrolle Materialbevorratung Konsolidierungsrolle Werkzeugform Laserstrahl Laminat 1,20 m Laserquelle Laseroptik und Temperaturerfassung Laminate Werkzeugform Seite 25

14 Gliederung 1 Überblick über die Faserverbundtechnik 2 Einsatzpotenzial von FVK in Werkzeugmaschinen 3 Innovative Produktionsverfahren 4 Zukünftige Anwendungen in Werkzeugmaschinen Seite 26 Aktuelle Forschungsansätze Mögliche zukünftige Anwendungen in Werkzeugmaschinen Forschungsschwerpunkt Hybridisierung: Herstellung hybrider Bauteilen unter optimaler Ausnutzung der Materialeigenschaften Funktionalisierung: Fasergerechte Funktionsintegration, z. B. Kraftein- und ausleitung Smart Composites : Sensorintegration Aktuatorintegration (z.b. Piezofolien) Self-Healing Composites Mögliche Anwendung Aufbau thermostabiler Achsen und Vorschubantriebe Gewichtsreduzierung durch bessere Materialausnutzung Optimale Anbindung und Integration der FVK-Bauteile an die bestehenden Maschinenkomponenten Integrierte Condition-Monitoring- Systeme zur Prozess- und Bauteilüberwachung Aktive Schwingungsdämpfung der Vorschubachsen Seite 27

15 Ihr Kontakt Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Abteilung Faserverbund- und Lasersystemtechnik Steinbachstraße 17, Aachen Dr.-Ing. Michael Emonts Abteilungsleiter Tel.: 0241/ Fax: 0241/ Mail: Dipl.-Ing. Henning Janssen Wissenschaftlicher Mitarbeiter Tel.: 0241/ Fax: 0241/ Mail: Seite 28

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