4. DLR-FA Wissenschaftstag Produktionstechnik für f r den CFK-Rumpf Technologie des Mikrowellenautoklaven Dipl.-Ing. M. Podkorytov Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Einsatz der Verbundkunststoffe im Flugzeugbau Steigender Bedarf an Verbundwerkstoffen: Steigendes Vermögen, ansteigende Passagier- und Flugzahlen Bis zu 20.000 Neubestellungen bis 2020 Ansprüche an flugmechanische Eigenschaften, Sicherheit und Komfort Lösung: Ersatz der Metalle durch Faserverbundwerkstoffe Herausforderung: Aufwändige und zeitraubende Produktion Geringer Automatisierungsgrad Niedrige Produktionsrate Faserverbundanteil am Strukturgewicht 60% 50% B787 A350 XWB 40% 30% A400M A380 20% 10% A320 A340-300 B777 A340-600 A300 A310-200 B757 B767 0% MD80 B737-300 B747-400 MD90 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Jahr des Erstfluges Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 103
Thermische Verfahrensschritte in der Fertigungskette Vorbereitung und Drapieren Harzvorkonditionierung: Schmelzen des Binders, Einstellen der Viskosität (RTM und LCM): Aufheizen der Preform, Gewährleistung der stemperatur Aushärten: Vernetzung des Harzes Entformung Bereitstellung Thermische Schritte der Energie durch Energiebedarf hochfrequentes Erwärmung Mikrowellenfeld Preforming & Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 104 Merkmale der Mikrowellenerwärmung Funktionsweise: Dielektrische Erwärmung: - Dipol: unregelmäßige Ladungsverteilung - Langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle (z.b. Epoxidharz) sind Dipole - Hochfrequente Schwingung der Molekülketten im elektromagnetischen Feld - Umwandlung der kinetischen Energie in E = 0 E thermische durch Reibung Ohm sche Erwärmung: - Induktion der Wirbelströme - Elektrischer Widerstand führt zum Temperaturanstieg Abb.: Ausrichtung der Dipole im hochfrequenten EM-Feld Abb.: Dipol (z.b. die OH-Gruppe eines Kohlenwasserstoffs) Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 105
Merkmale der Mikrowellenerwärmung Vorteile: Volumetrischer Energieeintrag Selektive Erwärmung Verfügbarkeit und geringe Trägheit Zugmodul Effekte: Schnelle Prozesse Hohe Energieeffizienz Abb.: Konventioneller Prozess und Mikrowellenprozess Kein negativer Einfluss auf die mechanischen oder physikalischen Eigenschaften der Komponenten oder des Verbundes Herkömmliche Formwerkzeuge geeignet Schubfestigkeit Abb.: Vergleich der mechanischen Kennwerte nach Preforming Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 106 Zielsetzung Mikrowellenunterstützte Fertigungsverfahren ist eins der zentralen Forschungsgebiete der Abteilung Faserverbundtechnologie seit 5 Jahren Generelle Eignung der elektromagnetischen Felder wurde nachgewiesen Hauptarbeitsgebiete: Prozessentwicklung und Qualifikation Design und Konstruktion der Anlagen und angepassten Formwerkzeuge Prozessautomatisierung und Integration Inbetriebnahme der Anlagen, Beratung und Betreuung der Industrie Ziel 1: Anpassen der Prozessschritte auf die Erwärmung mittels Mikrowellen Ziel 2: Bereitstellung der marktreifen Technologien für die Industrie Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 107
Harzvorbehandlung Harzerwärmungsanlage: Anwendungsgebiet: LCM and RTM Konventionelle Erwärmung träge, da Energietransport nur über die Batchoberfläche Volumetrische Harzerwärmung auf die stemperatur (80 C) Geringes Risiko einer exothermen Reaktion Batchvolumen: 2 l, aber bis 10 l möglich Auftauen und Entgasen Prozesszeitersparnis: 90 % Qualifiziert für die Luftfahrtanwendungen Marktreif und kommerziell verfügbar Abb.: Harzerwärmungsanlage Abb.: Temperaturverteilung in der Batch Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 108 Harzvorbehandlung HarzDURCHLAUFerwärmungsanlage: Anwendungsgebiet: automatisierte LCM and RTM Erwärmung im Durchlauf auf 120 C Heizung on demand ohne thermische Trägheit Massendurchsatz: theoretisch nicht begrenzt Abb.: Harzdurchlauferwärmungsanlage Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 109
Preforming Mikrowellenpreforming: Einseitiges Formwerkzeug Preforming einer dickwandigen Struktur Angepasstes Formwerkzeug Einsatz innovativer Materialien Zeitersparnis: 50 % Einhalten Qualitätskriterien Transparenter Kunststoff Metall Metall Abb.: Mikrowellentransparentes Preformingwerkzeug Abb.: Seitenleitwerksbeschlag Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 110 Mikrowellenautoklav: Anwendungsgebiet: von Prepreg Mikrowellenleistung: 96 kw Konventionelle Heizleistung: 230 kw Homogene Temperaturverteilung Betriebsmodus: - Heizung mit Mikrowellenstrahlung oder konventionell über Umluft -Mit oder ohne Druckbeaufschlagung Abb.: Mikrowellenautoklav in Kooperation mit: Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 111