Komplexe Sandwichstrukturen aus duroplastischem Faserverbundmaterial
Im Forschungsprojekt SHOREliner wurde am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover erstmals eine geometrisch hochkomplexe, topologieoptimierte Sandwichstruktur aus kohlenstofffaserverstärkten Duroplasten automatisiert gefertigt. Ziel des Projekts war es, die Fähigkeit des Automated Fiber Placement (AFP) zur Herstellung geometrisch anspruchsvoller Rumpfstrukturen nachzuweisen und den gesamten Entwicklungs- und Fertigungsprozess zu digitalisieren und zu automatisieren.
Die im Projekt entstandene Struktur diente als Demonstrator für einen hochbelasteten Rumpfausschnitt eines elektrisch angetriebenen Flugzeuges. Grundlage bildete eine topologieoptimierte Gitterstruktur, die aus den realen Belastungsbedingungen eines Flugzeugrumpfes abgeleitet wurde. Die Auslegung erfolgte in enger Kooperation mit dem Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der TU Braunschweig und vereinte Strukturoptimierung, Materialmodellierung und Fertigungsplanung in einem konsistenten, simulationsgestützten Prozess.
Die Fertigung der Struktur erfolgte mittels AFP-Technologie. Dabei wurden Kohlenstofffaser-Tapes automatisiert auf ein formgebendes Werkzeug abgelegt, anschließend wurden Schaumkerne für die Versteifungselemente präzise positioniert und die Decklagen ebenfalls automatisiert appliziert. Der abschließende Aushärtungsprozess erfolgte im Autoklav unter kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen.
Durch die Kombination aus digitalem Entwurf, automatisiertem Faserlegen und reproduzierbarer Prozessführung konnte das IFW eine Struktur erzeugen, die nicht nur ein deutlich verbessertes Masse-Steifigkeits-Verhältnis, sondern auch ein hohes Maß an Fertigungspräzision aufwies.
Das Projekt SHOREliner demonstrierte damit die Machbarkeit einer durchgängig digitalisierten Prozesskette – von der topologieoptimierten Bauteilauslegung über die automatische Bahnplanung bis zur Fertigung eines funktionsfähigen Demonstrators.
Mehr Nachhaltigkeit durch thermoplastische Sandwichstrukturen
Darauf baut das Projekt TheSaLab auf: Es verfolgt das langfristige Ziel, die fertigungstechnologischen Grundlagen zu schaffen, um duroplastische Sandwichstrukturen zu ersetzen und thermoplastische Sandwichstrukturen mittels laserbasiertem AFP herzustellen.
Dadurch soll die Nachhaltigkeit und damit die industrielle Relevanz der Technologie gesteigert werden, denn thermoplastische Faserverbundsysteme bieten entscheidende Vorteile: Sie ermöglichen kurze Zykluszeiten, lokale Umformbarkeit, reversibles Fügen sowie eine deutlich verbesserte Recyclingfähigkeit und tragen damit zur Erhöhung sowohl der ökologischen als auch ökonomischen Nachhaltigkeit bei.
Während duroplastische Systeme eine zeit- und energie-intensive Aushärtung erfordern, können thermoplastische Verbunde durch in-situ-Konsolidierung direkt während des AFP-Prozesses (in-situ) gefügt werden. Dies verkürzt die Prozesszeit erheblich, reduziert den Energiebedarf und eliminiert den Autoklav als kostenintensiven Fertigungsschritt. Mit dem Projekt TheSaLab verfolgt das IFW das Ziel, diese Vorteile auch für komplexe, gekrümmte Sandwichstrukturen nutzbar zu machen.
Im Fokus des Projekts stehen mehrere technologische Kernaspekte:
Kontrollierte Wärmeführung und Konsolidierung: Die Qualität der Konsolidierung hängt direkt von der thermischen Prozessführung ab. Zu geringe Temperaturen führen zu unvollständiger Verschmelzung, während Überhitzung Delamination, Porosität oder eine Degradation des Materials verursachen kann. Daher werden unter anderem optisch-thermische Prozessmodelle für das laserbeheizte Legen entwickelt, um Temperaturfelder während der Ablage präzise einstellen zu können.
Anbindung der Deckschichten an den Sandwichkern: Die Verbindung zwischen den kohlenstofffaserverstärkten Deckschichten und dem Schaumkern stellt bei thermoplastischen Systemen eine besondere Herausforderung dar. Ein Schwerpunkt liegt auf der Auswahl und Charakterisierung von mischbaren Kombinationen des Deckschicht- und Kernmaterials. Darüber hinaus erforscht das IFW das Verhalten des Schaumkerns während der in-situ Konsolidierung. Untersucht wird unter anderem das lokale Kollabieren des Schaumkerns und die Entstehung einer Schmelzschicht im Interface zwischen Kern und Deckschicht in Abhängigkeit der thermisch-mechanischen Belastung im Prozess.
Bewertung der Strukturmechanik und Nachhaltigkeit: Durch experimentelle Untersuchungen werden die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Sandwichstrukturen analysiert. Parallel dazu erfolgt eine ökologische und ökonomische Bewertung, die den Beitrag thermoplastischer Systeme zu einer ressourceneffizienten Fertigung quantifiziert.
Das Projekt TheSaLab adressiert damit nicht nur eine materialspezifische Weiterentwicklung, sondern verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz: Von der Materialauswahl über die Prozessführung bis zur strukturellen Bewertung werden alle grundlegenden Aspekte für die Umsetzung einer robusten und skalierbaren Fertigungstechnologie untersucht.
Leicht, belastbar und nachhaltig: Strukturen für die Mobilität von morgen
Die Projekte SHOREliner und TheSaLab markieren zwei aufeinander aufbauende Entwicklungsstufen im Bereich der automatisierten Leichtbauproduktion am IFW.
Das SHOREliner-Projekt demonstrierte erfolgreich die automatisierte Fertigung komplexer, topologieoptimierter Sandwichstrukturen auf Basis duroplastischer CFK-Systeme. Dabei wurde eine durchgängige digitale Prozesskette etabliert, die von der Simulation bis zum fertigen Demonstrator reicht.
Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt TheSaLab führt diesen Ansatz weiter, indem thermoplastische Werkstoffe in den Fokus rücken und eine in-situ Konsolidierung während des AFP-Prozesses ermöglicht wird. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven hinsichtlich Prozessgeschwindigkeit, Energieeffizienz und Kreislauffähigkeit.
Gemeinsam bilden beide Projekte die Grundlage für die nächste Generation automatisierter Faserverbundfertigung. Durch die Kombination von Topologieoptimierung, Prozesssimulation, automatisierter Ablage und thermoplastischer Werkstofftechnologie entstehen neue Möglichkeiten, leichte, belastbare und nachhaltige Strukturen für die Mobilität von morgen zu realisieren.
