Kontinuierliche Herstellung von faserverstärkten Profilen mittels Flechttrusion

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1 Kontinuierliche Herstellung von faserverstärkten Profilen mittels Flechttrusion 1. Mönchengladbacher Flecht-Kolloqium Jens Schäfer* und Thomas Gries Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University in Kooperation mit: TFI Institut für Bodensysteme an der RWTH Aachen e.v.

2 Gliederung Einleitung und Motivation Technische und Wirtschaftliche Potentialbewertung Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Ablage von Unidirektionalen (UD) Hybridgarn Fasern Potential & Ausblick Fazit

3 Gliederung Einleitung und Motivation Technische und Wirtschaftliche Potentialbewertung Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Ablage von Unidirektionalen (UD) Hybridgarn Fasern Potential & Ausblick Fazit

4 Einleitung Motivation Aktuelle Prozesse zur Herstellung von Profilen aus faserverstärktem Kunststoff (FVK): Keine lastgerechte Ablage der Fasern (Pultrusion) Hohe Fertigungskosten Flechten + Hybridgarn Hohes Potential für eine effizienzte automatisierte Fertigung Ziel Entwicklung einer kontinuierlichen Prozesskette zur Herstellung von Profilen aus faserverstärktem Kunststoff mit integrierten Inserts 20 mm Hand-layed laminated profile [TFI]

5 Einleitung Flechttrusionsprozess Commingling von Carbonfasern (CF) + Polyphenylenesulfidfasern (PPS) zu einem Hybridgarn Kontinuierliche Zuführung eines Kerns Ablage von unidirektionalen (UD) Faserbändern (optional) Flechten des Hybridgarns auf den Kern Zuführung des Preforms in ein Umformwerkzeug Commingling Kernzuführung UD-Ablage Flechten Heizen, umformen, abkühlen

6 Contents Einleitung und Motivation Technische und Wirtschaftliche Potentialbewertung Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Ablage von Unidirektionalen (UD) Hybridgarn Fasern Potential & Ausblick Fazit

7 Technische Potentialbewertung Beispielbauteil Stoßfängerquerträger > Teile/Jahr Hohe mechanische Eigenschaften Kriterien Material Eigenschaften Qualität Geometrische Komplexität Integration von Inserts Automatisierbarkeit Roof Cross Beam Doorbeam Bumper Cross Beam Automotive Profiles suitable for Braiding Pultrusion [1] Inserts Automation 100 % 75 % 50 % 25 % Material Properties Geometry Complexity Product Requirements Quality Process Capabilities [1] on/loesungen-aus-stahl/autos/ Radar Graph for the production of Bumper Cross Beam

8 Wirtschaftliche Bewertung der Prozesskette Excel basiertes Software Tool KONTIPRO Datenbank (Basis-Daten) Material Daten Machinen Daten Prozess Daten Prozess Module Zuführeinheit UD-Ablage Flechtmaschine Umformeinheit Wirtschaftliche Faktoren Kosten Zeit

9 Wirtschaftliche Bewertung der Prozesskette Verifikation des Software Tool KONTIPRO Daten Carbon + Polyamid Rechteck Profil (80*140*1000 mm) 2 UD Lagen 3 Flechtlagen Geflochtenes Geflochtenes Hybridgarn Hybridgarn UD-Tape UD-Tape Kern H H B s UD B s HP s V s HP s V Inserts notwendig Ergebnis Kosten: 0,1 m/min Potential zur Reduktion ~ 0,7 m/min Material Kosten Kern Machinen Kosten Personal Kosten s UD Maschinenkosten Personalkosten Materialkosten Kostenverteilung 0,1 m/min Kostenverteilung 0,7 m/min

10 Contents Einleitung und Motivation Technische und Wirtschaftliche Potentialbewertung Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Ablage von Unidirektionalen (UD) Hybridgarn Fasern Potential & Ausblick Fazit

11 Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Versuchsaufbau Pressing punch Upper insulating block Upper insulating block Bracket Force F U Heat energy Q Parameter Min. Max. Temperatur [ C] Kraft [kn] 0,5 2 Zeit [s] Lagen 1 3 Ziel des Experiments Abhängigkeit Prozessparameter Fehlstellengehalt und Biegesteifigkeit Identifikation von Prozessparametern für den Umformprozess

12 Bending Strength [N/mm²] Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Biegesteifigkeit als Funktion der Temperatur und Haltezeit Temperatur hatte negativen Effekt Die Haltezeit hatte einen positven Erste Anzeichen der Zersetzung des Kunststoffs bei 330 C Korrelation von Fehlstellengehalt und Biegesteifigkeit erkennbar Fehlstellengehalt nach ASTM D2734 (Vergleich von Dichten) Temperature: 305 C / Holding Time: 80 s Temperature: 305 C / Holding Time: 40 s Temperature: 330 C / Holding Time: 80 s Temperature: 330 C / Holding Time: 40 s Temperature [ C]

13 Gliederung Einleitung und Motivation Technische und Wirtschaftliche Potentialbewertung Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Ablage von Unidirektionalen (UD) Hybridgarn Fasern Potential & Ausblick Fazit

14 UD Ablegeeinheit Konzept für eine UD-Ablegeeinheit Erhitzung über Infrarot- (IR) Strahler um die UD-Bänder auf Flechtmaschine Umformeinheit Magazin dem Kern zu fixieren Pneumatisch geregelte Umformeinheit Abkühlung über Konvektion Produktionsrichtung Kühlung UD Ablegeeinheit IR-Strahler

15 UD fibre placement Magazin IR-Strahler Kühlung Umformeinheit Details der UD Ablegeeinheit

16 Gliederung Einleitung und Motivation Technische und Wirtschaftliche Potentialbewertung Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Ablage von Unidirektionalen (UD) Hybridgarn Fasern Potential & Ausblick Fazit

17 Economic Potential Prozessgeschwindigkeit Erhöhung der Produktonsgeschwindigkeit 0,7 m/min Optimierung des Flechtprozesses / Ziel: Flechtbarkeit mit Hybridgarn ~ 3 m/min high Lightweight low high Scope Hollow Profiles Pultrusion POTENTIAL Winding Flechttrusion RTM Handlayup Prepreg low low Complexity Portfolio Analyse für Hohlprofile high

18 Ausblick Insert Integration Commingling Kernzuführung UD-Ablage Flechten Heizen, umformen, abkühlen Insert-Integration Insert M8 Insert M5 Insert M5 Insert M8 Inserts auf dem Kern vor dem Flechtprozess Überflochtener Demonstrator

19 Ausblick Geplante Prozesskette Nächste Schritte: Aufbau der Produktionslinie Erste Experimente zur Produktionsgeschwindigkeit und der Qualität der Demonstratoren Mandrel feeding UD-placement Braiding Catterpillar machine unit Shaping unit Demonstrator Nadelbarre für die Tuftingmaschine mit integrierten Inserts Inserts werden vor dem Flechtprozess integriert und überflochten CAD Screenshot der Prozesskette M6 M8 Fertiges Profil mit integrierten Inserts

20 Gliederung Einleitung und Motivation Technische und Wirtschaftliche Potentialbewertung Umformen geflochtener Hybridgarntextilien Ablage von Unidirektionalen (UD) Hybridgarn Fasern Potential & Ausblick Fazit

21 Fazit Innovative Prozesskette zur Herstellung von Profilen aus FVK Mit dem Flechttrusionsverfahren ist eine große Anzahl von Profilformen herstellbar In Abhängigkeit der Prozessgeschwindigkeit liegt der Preis eines Profils zwischen 21 und 46 The mechanischen Eigenschaften eines Profils sind eine Funktion der Umformparameter Die Integration von Inserts im Flechtprozess ist eine große Herausforderung, bietet aber ein großes Potential

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Das IGF-Vorhaben 405 ZN der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.v., Reinhardtstrasse 12-14, Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.