Composites 2012: Tapelegen fit für Serienfertigung

Umdenken ist angesagt bei den Automobilherstellern: Während Fahrzeuge bislang hauptsächlich aus Metallen wie Aluminium und Stahl bestanden, zwingt die aufkomende Elektromobilität künftig zum Leichtbau.

Das heißt: Neue Materialien müssen her. Großes Potenzial besitzen faserverstärkte Kunststoffe – also Fasern, die mit einer Kunststoff-Matrix imprägniert werden und als Verbundwerkstoff zum Einsatz kommen. Diese Werkstoffe sind ähnlich fest wie Metalle. Häufig werden die für das Bauteil nötigen Zuschnitte aus textilen Halbzeugen herausgeschnitten – vorrangig aus Geweben. Dabei entsteht zum Teil viel Verschnitt des wertvollen Verstärkungsmaterials.

Eine Alternative ist das Tapelegen. Tapes sind unidirektionale Endlosfasern, die mit einer Matrix imprägniert sind und wie ein Band auf einer Rolle aufgewickelt werden. Diese Rollen werden in eine spezielle Anlage eingesetzt, eine Ablegeeinheit platziert sie in der gewünschten Geometrie. Dadurch lassen sich passgenaue Endlosfaserstrukturen herstellen, bei denen kaum oder gar kein Verschnitt entsteht. Für große Bauteilserien, wie sie beispielsweise in der Kompaktklasse die großen Automobilhersteller benötigen, ist das Verfahren derzeit jedoch noch zu langsam.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal wollen gemeinsam mit ihren Kollegen der ICT-Projektgruppe in Augsburg das Tapelegen der Serienfertigung nun einen großen Schritt näher bringen. Die beiden Anlagen, die die Forscher verwenden, sind Fabrikate der Firmen Coriolis und Fiberforge. »Um diese Anlagen herum entwickeln wir die weiterführende Prozesstechnik«, sagt Benjamin Hangs, Wissenschaftler am ICT. »Dazu gehört einerseits, dass wir die Anlagen im Dialog mit den Firmen optimieren, andererseits die Prozesskette weiterentwickeln.

Das umfasst das Ablegen der Fasern beziehungsweise Tapes, das Umformen, das Funktionalisieren und die Nachbearbeitung. Wir entwickeln beispielsweise neue Materialrezepturen, optimieren die Fertigungsparameter und entwickeln Prototypen.« Dabei widmen sich die Wissenschaftler unter anderem folgenden Fragen: Wie kann man verschiedene Bauteile optimal fertigen? Welchen Anforderungen an den Prozess und die Qualitätsstandards müssen erfüllt werden? »Wir haben bereits viele Erkenntnisse gewonnen, die dabei helfen können, den Prozess weiter in Richtung Mittel- und Großserienfertigung zu bringen«, so Hangs.

Die Bereitschaft bei den Automobilherstellern und der Luftfahrtindustrie, hier einen nächsten Schritt zu tun, ist groß. Denn das Tapelegen bietet – neben dem geringeren Verschnitt – gegenüber den Gewebehalbzeugen weitere Vorteile: Die Faserorientierung lässt sich beim Tapelegen beliebig einstellen. Die Fasern können also genau so ausgerichtet werden, dass sie die entstehenden Lasten optimal aufnehmen können. Beim Gewebehalbzeug werden hingegen vorrangig Kombinationen der Winkel von 0 und 90 Grad verwendet. Das Material lässt sich daher beim Tapelegen effizienter nutzen: Da es im Verbund zudem fester ist, reichen dünnere Materialschichten als beim Gewebehalbzeug. Auf der Messe Composites Europe vom 9. bis 11. Oktober in Düsseldorf stehen die Wissenschaftler für weiterführende Diskussionen zur Verfügung. (Halle 8a, Stand A11).