Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Endlosherstellung gebogener Profile öffnet Märkte für Faserverbundwerkstoffe

13.05.2009
Die Pultrusion ermöglicht nicht nur die kostengünstige Herstellung gerader, sondern auch gebogener, faserverstärkter Profile als Endlosware. Ausschlaggebend dafür ist eine Weiterentwicklung des Verfahrens, bei der die mit Harz getränkten Endlosfasern durch gekrümmte Werkzeuge gezogen werden. Heraus kommen Profilbögen, die weitere Märkte für Faserverbundwerkstoffe öffnen.

Die Thomas GmbH + Co. Technik und Innovation KG, Bremervörde, hat die Abläufe des Pultrusionsverfahrens zur Endlosherstellung faserverstärkter Kunststoffprofile umgedreht: Nicht das Profil wird durch das Formwerkzeug gezogen, sondern das Werkzeug schrittweise über das Halbzeug geführt. Diese Umkehrung ermöglicht die Herstellung gebogener, endlosfaserverstärkter Profile.

Dass ein kontinuierlich, kostengünstig arbeitendes Verfahren für zwei- oder dreidimensional gebogene Kunststoffprofile mit Endlosfaserverstärkung bisher am Markt nicht existierte, darin sieht der Prozessspezialist und -anwender eines der Haupthemmnisse für eine stärkere Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen auf Massenmärkten (Bild 1).

Schnelligkeit und Automation ist Basis für Wirtschaftlichkeit der Pultrusion

Bei der Profilpultrusion handelt es sich grundsätzlich um ein Strangziehverfahren in offener oder geschlossener Ausführung. Die Verarbeitung erfolgt direkt von den Rollen.

Beim offenen Verfahren werden die Endlosfasern über eine Tauchwalze durch eine Harzwanne (Tränkwanne) gezogen. Ein Kadiergitter sorgt für die gewünschte Faserverteilung im herzustellenden Profil. Getränkt mit Kunstharz durchlaufen die Fasern mehrere Vorformstationen. In jeder Station wird das Faserharzgemisch immer näher an die endgültige Form herangeführt.

Beim geschlossenen Verfahren findet dagegen die Formgebung in einer Station statt – im Ziehwerkzeug, wo die Fasern bei erhöhtem Druck mit Harz getränkt werden. Das führt nicht nur zu einem höheren Benetzungsgrad der Fasern, auch lässt sich dadurch der Faservolumenanteil der Profile steigern.

Harz härtet im Werkzeug kontinuierlich aus

Einmal im Werkzeug angelangt, härtet das Harz bei Temperaturen von 100 bis 200 °C kontinuierlich aus. Das Ergebnis ist ein quasi endloses gerades Profil, das anschließend in beliebig lange Teile zersägt wird.

Kennzeichnend für das Verfahren sind vor allem die hohe Ziehgeschwindigkeit und der enorme Automatisierungsgrad. Das macht die Herstellung von Profilen aus Endlosfasern und duroplastischem Harz kostengünstig.

Jedoch lassen sich bei diesen Abläufen die Vorteile der Pultrusion nicht auf gebogene Profile übertragen. Darin sah der Prozessspezialist und -anwender Thomas den Entwicklungsansatz für das Verfahren Radius-Pultrusion – mit dem Ziel, die eingeschränkte Wettbewerbsfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen bei Profilen im Vergleich zu Stahl und Aluminium zu beseitigen (Bilder 2 und 3 – siehe Bildergalerie).

Der Clou der Entwicklung besteht darin, die mit Harz getränkten Fasern während des Aushärtens durch ein gekrümmtes Formwerkzeug zu ziehen. Dass dabei das Werkzeug über das Halbzeug geführt wird, eröffnet die Möglichkeit, zwei- oder dreidimensionale Profilbögen mit konstanten Krümmungen herzustellen.

Beliebige Krümmungen der Profile in Zukunft möglich

Sollte es in Zukunft auch elastische Formeinsätze geben, hält man sogar beliebige Krümmungen für möglich. Jedoch auch ein gleichbleibender Krümmungsradius erweitert den Anwendungsbereich für Profile aus Faserverbundwerkstoffen erheblich.

In der Luftfahrttechnik benötigt man zum Beispiel kreisförmige Spanten für Flugzeugrümpfe aus CFK. Auch Rundbögen für isolierende Fenster lassen sich mit dieser Entwicklung herstellen. Weitere potenzielle Anwendungen hat man bei Brücken, Leitungsführungen und Tankbehältern ausgemacht.

Produktionstempo steigt mit zunehmendem Profilradius

Die Gründe für das große Anwendungspotenzial liegen in der Modifikation dieser Entwicklung. So ist damit die Endlosherstellung von Kreis- und Schraubenbögen mit praktisch beliebigen Radien und Steigungen möglich (Bild 4) – und somit auch die Herstellung von Federn. Kurzfristig sind laut Thomas Radien von 500 bis 1000 mm umsetzbar.

Je größer der Radius ist, desto schneller die Herstellungsgeschwindigkeit. Diese Abhängigkeit liegt an der limitierten Formlänge des gekrümmten Ziehwerkzeugs: Die Geschwindigkeit darf bei der Herstellung ebener Profilbögen ein Viertel des Kreisumfangs nicht überschreiten. Bei spiralförmigen Profilen wurde dagegen theoretisch keine solche Begrenzung lokalisiert: In diesem Fall sei eine auf die Anwendung bezogene Entwicklung erforderlich.

Bei einem ebenen Profilbogen mit 500 m Radius liegt die maximale Formlänge des Werkzeugs bei knapp 800 mm. Daraus ergibt sich eine maximale Herstellungsgeschwindigkeit die bei Polyester oder Epoxid als Kunstharz etwa 0,4 m/min, bei Polyurethan und PES als Mischharz etwa das Doppelte beträgt.

Verstärkungsfasern beeinflussen mechanische Eigenschaften der Profile

Der Grund dafür liegt im unterschiedlichen Aushärtungsverhalten dieser Matrixwerkstoffe, in denen die Verstärkungsfasern unidirektional, als Gewebe oder Geflecht eingebettet sind. Außer Carbon- und Glasfasern kann es sich dabei auch um Naturfasern handeln. Von der Art und Dichte der Verstärkungsfasern hängen die mechanischen Profileigenschaften ab.

Am Ende erhält man Profile, die laut Thomas stabil wie Stahl und leicht wie Aluminium sein können. Bezüglich der Steifigkeit und Festigkeit gelten den Angaben zufolge die gleichen Werte wie bei konventionell pultrudierten Profilen. Generell werden Anwendungen für gebogene, faserverstärkte Profile überall dort gesehen, wo leichte, aber stabile Strukturelemente erforderlich sind. Dieses breite potenzielle Anwendungsspektrum, das dieses Pultrusionsverfahren den Profilen aus Faserverbundwerkstoffen eröffnet, hat Fachleute in Europa überzeugt.

Ausdruck dafür sind verschiedene Auszeichnungen, die diese Entwicklung auf Messen inzwischen erhalten hat: wie den „Best of Materialica Design & Technology Award“ in München im vergangenen und den zweiten Platz beim „JEC Innovation Award“ in Paris in diesem Jahr. Vor kurzem ist die Verfahrensentwicklung Radius-Pultrusion – bei über 70 Einreichungen – bis in die Endausscheidung um den Hermes Award 2009 vorgestoßen.

Josef Kraus | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/kunststoffundgummiverarbeitung/articles/187739/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung
06.12.2019 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

nachricht Gut angelegte Werte: Schwingfestigkeitsdatenbank hilft Kunststoffbauteile nachhaltig auszulegen
04.12.2019 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Das 136 Millionen Atom-Modell: Wissenschaftler simulieren Photosynthese

Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist für das Leben unerlässlich. In einer der größten Simulationen eines Biosystems weltweit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen komplexen Prozess an einem Bestandteil eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom um Atom. Die Arbeit, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Photosynthese in einigen biologischen Strukturen. An der internationalen Forschungskooperation unter Leitung der University of Illinois war auch ein Team der Jacobs University Bremen beteiligt.

Das Projekt geht zurück auf eine Initiative des inzwischen verstorbenen, deutsch-US-amerikanischen Physikprofessors Klaus Schulten von der University of...

Im Focus: Developing a digital twin

University of Texas and MIT researchers create virtual UAVs that can predict vehicle health, enable autonomous decision-making

In the not too distant future, we can expect to see our skies filled with unmanned aerial vehicles (UAVs) delivering packages, maybe even people, from location...

Im Focus: Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung

Beim Schlichtfräsen komplexer Freiformflächen können Kreissegment- oder Tonnenfräswerkzeuge jetzt ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkzeugen mit Kugelkopf besser ausspielen: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelte im Forschungsprojekt »FlexiMILL« gemeinsam mit vier Industriepartnern passende flexible Bearbeitungsstrategien und implementierte diese in eine CAM-Software. Auf diese Weise lassen sich große frei geformte Oberflächen nun bis zu 80 Prozent schneller bearbeiten.

Ziel im Projekt »FlexiMILL« war es, für die Bearbeitung mit Tonnenfräswerkzeugen nicht nur neue, verbesserte Werkzeuggeometrien zu entwickeln, sondern auch...

Im Focus: Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)

Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reichweiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit...

Im Focus: Neue Klimadaten dank kompaktem Alexandritlaser

Höhere Atmosphärenschichten werden für Klimaforscher immer interessanter. Bereiche oberhalb von 40 km sind allerdings nur mit Höhenforschungsraketen direkt zugänglich. Ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) mit einem diodengepumpten Alexandritlaser schafft jetzt neue Möglichkeiten. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik (IAP) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT entwickeln ein System, das leicht zu transportieren ist und autark arbeitet. Damit kann in Zukunft ein LIDAR-Netzwerk kontinuierlich und weiträumig Daten aus der Atmosphäre liefern.

Der Klimawandel ist in diesen Tagen ein heißes Thema. Eine wichtige wissenschaftliche Grundlage zum Verständnis der Phänomene sind valide Modelle zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

Intelligente Transportbehälter als Basis für neue Services der Intralogistik

03.12.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Gene für die Biosynthese des Antidepressivums Hypericin in Johanniskraut entdeckt

06.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Goldmedaille: Team der TU Dresden präsentiert DipGene auf der größten Innovationsveranstaltung für Synthetische Biologie

06.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Der Stammbaum der Käfer steht

06.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics