Funktionsintegrative Leichtbautechnologien

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1 Funktionsintegrative Leichtbautechnologien Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Kroll Dipl.-Ing. Jürgen Tröltzsch Technische Universität Chemnitz Kolloquium Kunststofftechnik, Hochschule Lausitz , Senftenberg 1

2 Gliederung Vorstellung der Professur SLK Ressourcenschonung durch Leichtbau Spritzgießtechnik als hochintegratives Verfahren Textilverstärkte Spritzgießbauteile Spritzgießbauteile mit Sensorik- und Aktorikelementen 2

3 Institut für Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik Fördertechnik Prof. Dr.-Ing. K. Nendel (Institutsdirektor) Sportgerätetechnik Juniorprofessor Dr.-Ing. S. Odenwald Strukturleichtbau/Kunststoffverarbeitung Forschergruppe Textilverstärkte Bauteile Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll Dr.-Ing. F. Helbig/Dr.-Ing. g P. Auerbach Kunststoffe Prof. Dr.-Ing. M. Gehde Fachgruppenleiter Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung Kompetenzzentrum Strukturleichtbau e. V. Dipl.-Ing. J. Ulbricht/Dipl.-Ing. M. Heinrich Cetex ggmbh Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll Sächsisches Textilforschungsinstitut e. V. Dipl.-Ing.-Ök. Andreas Berthel Dr. Nendel Prof. Kroll Dr. Gelbrich Steinbeis-Transferzentrum Prof. Dr.-Ing. habil. E. Köhler Dr. Zipplies Dr. Helbig DI Elsner Dr. Kempt 3

4 Organisation Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Kroll, Stellvertreter: Dr.-Ing. Wolfgang Nendel FACHGRUPPEN Dr.-Ing. W. Nendel Leichtbautechnologien und Maschinenkonstruktion Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll Berechnung, Simulation und Auslegung Dipl.-Ing. H. Elsner Aktive Werkstoffe und Verbundstrukturen Dr.-Ing. W. Kempt Extrusionstechnologien, Recycling Dr.-Ing. E. Zipplies Fluide Antriebe und Handhabungssysteme Dr.-Ing. F. Helbig Faser- und Textilverstärkte Kunststoffbauteile Dr.-Ing. S. Gelbrich Leichtbau im Bauwesen 4

5 Regionale Präferenz Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen Institut für Allgemeinen Maschinen- Sächsisches bau und Kunststofftechnik an der TU gemeinnützige i GmbH Textilforschungsinstitut e.v. Chemnitz - Konstruktive Entwicklung von Maschinen und Anlagen zu textilen Verstärkungsstrukturen - Wirkpaarungen für neue Gelegestrukturen - Entwicklung von 3D-Abstandsstrukturen - Vorkonfektionierung textiler Halbzeuge - Anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet tdes Textilmaschinenbaus und artverwandter Verarbeitungsmaschinen (ca. 45 Mitarbeiter) - Akkreditierte Prüfstelle Textil - Zertifizierungsstelle Schutztextilien - Faservliesstoffe/Recycling - Spinnvliesstoffe/Folien - Veredlung/Ökologie - Materialforschung - Transferzentrum für Textiltechnologien (ca. 130 Mitarbeiter) - Leichtbautechnologien und Maschinenentwicklung - Energieoptimierte Handhabungssysteme - Funktionsintegrierter Strukturleichtbau - Fluide Antriebs- und Steuerungstechnik - Förderelemente mit Kunststoffen und deren Verbunden - Förder-, Lager- und Verkettungstechnik - Lebensdauer von Stetigförderen - Logistik von nachwachsenden Rohstoffen (ca. 125 Mitarbeiter) Textil- und dverarbeitungs- Textilhalbzeuge maschinen und Preformen Leichtbaustrukturen und -technologien 5

6 Technische Ausstattung Spritzgießcompounder KM IMC Mehrkomponenten-Wendeplattenspritzgießmaschine KM CZ WEN PUR-Verarbeitungsanlage Typ RIM STAR Doppelschnecken-Compounder mit Seitendosiereinheiten Laborcompounder Spritzgießmaschinen 250 t, 80 t, 60 t Laborpresse Fa. Rucks (160 t, 600 x mm), Presse (40 t) 6

7 Ressourcenschonung durch Leichtbau Probleme Steigende Energieund Rohstoffpreise Klimawandel durch Treibhauseffekt/ Erderwärmung Forderungen Zusammenhänge Masseneffizienz Energieeinsparung CO 2 -Reduktion E mech = f(m, g, v, ) Lösungsansätze Materialleichtbau Strukturleichtbau Systemleichtbau Integrative Leichtbautechnologien 7

8 Ressourcenschonung durch Leichtbau Leichtbau durch Materialleichtbau Strukturleichtbau Funktions- und Systemleichtbau Leichtbaustrukturen mit hoher Leistungsdichte z. B. Faser- und textilverstärkte Kunststoffbauteile hoher Funktionsintegration z. B. Aktive Werkstoffe und Verbundstrukturen 8

9 Spritzgießtechnik als hochintegratives Verfahren Kurz- und Langfaserverstärkung Insert- und Outserttechnik Mehrkomponententechnik Monosandwichverfahren MuCell TM -Verfahren Gasinjektionsverfahren. Monosandwichverfahren Einspritzen der Hautkomponente Einspritzen der Kernkomponente Quelle: 3 Pi Consulting & Management GmbH 9

10 Spritzgießtechnik als hochintegratives Verfahren Mehrkomponentenspritzgießen Vertikal-Stellung Drehtisch Trennschieber Huckepack-Stellung Umsetztechnik Anordnung hinter beweglicher Aufspannplatte Quelle: KraussMaffei 10

11 Spritzgießbauteile mit Textilverstärkung Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der Faserlänge Anwendung Partielle Verstärkung Quelle: AKsys Armierung von crashgefährdeten Bauteilen 11

12 Spritzgießbauteile mit Textilverstärkung Textilverstärktes Mehrkomponenten-Hutprofil ZIL-Halle, SLK 12

13 Partielle Faserhalbzeugverstärkung von thermoplastischen Spritzgussbauteilen 13

14 UD-Faserfolienbändchen Ce-Preg Herstellung mittels Faserfolien-Anlage Matrixmaterial als Folienvorlage Einzugswalzenpaar Bildung der Faservorlage Hybridmaterial Verstärkungsfasern Imprägnierstrecke Kontinuierliches Verfahren auf Basis der Faser-Bändchen-Technologie Faserschonende Verarbeitung von Faserfilamenten und Kunststofffolien Vermeidung der textilen Flächenbildung Keine Welligkeit und Maschenbildung in den Faserbündeln Vollkommen gestreckte Anordnung der Fasern Steigerungen der mechanischen Eigenschaften von bis zu 20% 14

15 Spreizmodul zur Ausbreitung der Fasern Kürzere Fließwege des aufgeschmolzenen Folienkunststoffes in den Faserroving Geringerer benötigter Druck und geringere Temperatur Schnellere Durchlaufzeiten Bessere Imprägnierung der Fasern mit der Polymerschmelze Kunststofffolie Druck, Temperatur Faserroving Kunststofffolie 15

16 Spreizmodul zur Ausbreitung der Fasern Schlecht imprägnierter Faserroving 200µm Gut imprägnierter Faserroving 200µm 16

17 Spritzgießbauteile mit Sensorik/ Aktorik Textilsensoren in Leichtbaustrukturen Richtungsabhängige Deformationsmessung Dehnungsmessung Kontaktierung duroplastischer Faserverbundwerkstoff (Faserverbundpreform) eingestickte 3D-Signalstruktur Belastungsdifferenzierte Signalgenerierung (Ziel: 3D-Sensor) SFB-TR 39 PT-PIESA 17

18 Spritzgießbauteile mit Sensorik/ Aktorik Sticken des Drahtsensors auf Verstärkungsstruktur Duroplastische oder thermoplastische Einbettung Elektronisches Kunststoffbauteil Bauteilintegration t ti im Spritzgießprozess 18

19 Textilsensoren in Leichtbaustrukturen Grundkonzept Ermittlung räumlicher Beanspruchungszustände durch Einsatz der 3D-Sensorik Messung der Dehnungen ε i und Scherrungen γ ij über elektrische Widerstandsänderungen d d sowie Kapazitätsänderungen Geschichtete Sensor- integration (kapazitiv) F Messungen in-plane Sensorintegration in der Messfläche (resistiv) Messung out-of-plane SFB-TR 39 PT-PIESA 19

20 Spritzgießbauteile mit Sensorik/ Aktorik Modifizierung von Polymeren mit leitfähigen Füllstoffen zur Kontaktierung für aktive Bauelemente Elektrisch isolierender Kunststoff Piezofasercomposite Piezokeramische Faserkomposite Elektrisch leitfähiges Thermoplast Elektrisch isolierendes Thermoplast Elektrische Kontaktierung (Leitfähiges Polymer) Leitfähige Füllstoffe Stahlfaser: Gew.-% Faserlänge 1mm Zink/Zinn-Partikel Gew.-% Pulverform Ruß Gew.-% Pulverform Kohlenstofffaser Gew.-% Faserlänge <100µm Hybridwerkstoff TinCo50 Gew.-%: 50% Cu 35% SnZn 15% PA 20

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Technische h Universität ität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau Institut für Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik 21