Kategorie: Aktuelles

Um die CO2-Emissionen im Nutzfahrzeug- und Agrarsektor zu senken, wird nach neuen Wegen zur Gewichtsreduzierung der meist tonnenschweren Maschinen gesucht. Ein Ansatz ist dabei der Strukturleichtbau unter Anwendung innovativer Materialkonzepte, wie z. B. Faserverbundwerkstoffe. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover hat im Projekt AgriLight zusammen mit seinen Projektpartnern ein Carbon Chassis für den Krone Big X entwickelt. Mit der innovativen Konstruktion kann das Chassisgewicht des Feldhäckslers bei gleichzeitig höherer Verwindungssteifigkeit um 50 % gesenkt werden.

Um größere Felder effizienter bearbeiten zu können, ist die Leistungsfähigkeit landwirtschaftlicher Erntemaschinen in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Durch die höheren Leistungen der Maschinen hat auch deren Gewicht zugenommen, was Herstellende an die Grenzen der straßenverkehrsrechtlichen Zulässigkeit bringt und Anwenderinnen und Anwender mit stärkeren Bodenverdichtungen und höheren Spritverbräuchen konfrontiert.

Diese Problematik wurde vom IFW zusammen mit den Projektpartnern Krone GmbH & Co. KG, M&D Composites Technology GmbH und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal im Forschungsprojekt AgriLight adressiert. Indem das Chassis des Krone Big X grundlegend neu gedacht in eine innovative Faserverbund-Konstruktion überführt wurde, konnte sein Gewicht signifikant reduziert werden.

Besondere Herausforderungen ergaben sich aus den unterschiedlichen Materialeigenschaften von Faserverbunden und metallischen Werkstoffen, der damit einhergehenden Komplexität bei der Auslegung dickwandiger Faserverbundstrukturen und der Integration des neuen, fasergerechten Designs in die vorhandene Fahrzeugstruktur. Die neuen Gestaltungsmöglichkeiten der CFK-Monocoque-Bauweise wurden genutzt, um zusätzliche Vorteile für den Kunden zu schaffen. Darunter beispielsweise größere, integrierte Tanks und eine vereinfachte Reinigung der Maschine durch geschlossene Oberflächen. Für die Auslegung haben das IFW und das PuK gemeinsam eine Reihe verschiedener Harzsysteme untersucht, um die optimale Matrix für die Anwendung und das Herstellungsverfahren mittels Vakuuminfusion ohne Autoklaven zu finden. Zur Durchführung der Finite-Elemente-Simulation kam Ansys Composite PrePost zum Einsatz. Es wurden sowohl Schalenmodelle der gesamten CFK-Struktur als auch detaillierte Analysen mittels Volumenmodellen erstellt. Basierend auf einem von Krone neu entwickelten Lastkollektiv wurden Konstruktionsanpassungen sowie Optimierungen im Laminataufbau vorgenommen.

Neben der Gestaltung und Dimensionierung der Rahmenstruktur hat das IFW auch neue Ansätze für die faserverbundgerechte Einleitung von hohen Belastungen in die Rahmenstruktur von Nutzfahrzeugen erforscht. Mithilfe des innovativen hybriden Insertkonzepts, das optimal für das angedachte Vakuuminfusionsverfahren geeignet ist, können – zusammen mit klassischen Verbindungselementen wie Schrauben und Bolzen – erheblich höhere Lasten in die Faserverbundstrukturen eingeleitet werden, ohne dass die Vorspannkräfte vom Laminat getragen werden müssen. Das Ergebnis des Entwicklungsprozesses ist ein innovatives Carbon-Chassis, dass eine Gewichtsreduktion von 50 % im Vergleich zum Stahlrahmen aufweist und dabei eine höhere Rahmensteifigkeit bietet.

Im nächsten Schritt wird ein Prototyp des Chassis bei M&D Composites Technology hergestellt. Dafür wird zunächst der Werkzeugbau durchgeführt, gefolgt von der Produktion der einzelnen Schalenbauteile des Monocoques. Anschließend wird dieser Prototyp bei unserem Partner Krone einer dynamischen Strukturprüfung unterzogen, bei der auf dem X-Poster das entwickelte Lastkollektiv abgefahren wird. Dabei werden die Ergebnisse der Auslegung sowie die zugrunde liegenden Finite-Elemente-Modelle validiert. Das Hauptziel dieser Untersuchung besteht darin, sicherzustellen, dass sowohl das Chassis auf Basis von Kohlenstofffasern als auch die in stark beanspruchten Bereichen eingesetzten hybriden Inserts über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs keine Schädigung aufweisen. Zur Erfassung der Belastungen und Verformungen des Chassis setzt das IFW ein Messkonzept um, dass sowohl Rayleigh- und DMS-Sensoren als auch optische 3D-Messungen einschließt. Durch den Entwicklungsprozess konnte das IFW seine Expertise in der Entwicklung und Auslegung von großen Faserverbundstrukturen sowie in der Konzeption anwendungsbezogener Krafteinleitungen weiter stärken und ausbauen.

Das Projekt wird im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Wir danken dem BMWK für die Förderung des Projekts.

Im Rahmen des Projekts PräziLight erweitert das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen seine Forschungsinfrastruktur im Bereich des automatisierten Faserauftrags (AFP) durch die Installation eines AFP-Systems von AddComposites (Espoo, Finnland). Das System ist mit einem humm3 Heizsystem von Heraeus Noblelight (Gaithersburg, M.D., USA) ausgestattet und für sowohl duroplastische als auch thermoplastische Materialien einsetzbar. Damit verfügt das Team HPCFK neben einem laserbasierten AFP-System (VCSEL, TRUMPF, Deutschland), das ebenfalls für beide Materialtypen und insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist, jetzt auch über ein auf einer Xenon-Blitzlampe basierendes System.

Das Projekt wird über den „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) als Teil der Reaktion der Union auf die COVID-19-Pandemie“ finanziert.

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Wie lassen sich recyclingfähige thermoplastische Faserverbundwerkstoffe energieeffizient herstellen? Dieser Frage ging der Forscherverbund HPCFK in den vergangenen drei Jahren im Rahmen des interdisziplinären Projekts „JoinTHIS“ nach. Am 9. Februar 2023 wurden dann die Ergebnisse im Rahmen eines abschließenden Workshops den Partnerinnen und Partnern aus Industrie und Forschung vorgestellt. Ausgewählte Ergebnisse von der Strukturauslegung unter Berücksichtigung von prozessinduzierten Bauteileigenspannungen über die Modellierung und Charakterisierung materialinhärenter Konsolidierungsmechanismen bis hin zur Vorstellung des neu entwickelten Legekopfes für die laserbasierte in-situ Herstellung thermoplastischer Faserverbundstrukturen wurden vorgestellt. In gemeinsamer Diskussion wurden Erkenntnisse geteilt und Perspektiven der thermoplastischen Faserverbundproduktion einer sich wandelnden Mobilitätsbranche erarbeitet. Im Anschluss daran fand in dem kürzlich bezogenen Neubau am CFK Nord eine Live-Vorführung der neuen Technologie statt.
Wir danken allen Teilnehmerinnen und Teilnehmern für den intensiven Austausch. Ferner richtet sich der Dank an das Land Niedersachsen und den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) für die Förderung des Projekts.

Der von der Stadt Stade initiierte Erweiterungsbau auf dem Gelände des CFK Nord im Ottenbecker Damm wurde im Juli fertiggestellt und konnte an die Betreibergesellschaft übergeben werden. Das interuniversitäre Forscherteam der Technischen Universität Clausthal, der Technischen Universität Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover konnte dann im August die neuen Räumlichkeiten beziehen.

Mit dem Umzug in den hochmodernen Büro- und Hallenkomplex stehen ab sofort weitere Kapazitäten für Forschung und Entwicklung im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe zur Verfügung. Neben einer Vergrößerung der Büroräumlichkeiten ist durch den Umzug in den energieeffizienten Neubau ebenfalls die zur Verfügung stehende Maschinen- und Anlagenfläche gestiegen. Es steht nun mehr als doppelt so viel Fläche für die Entwicklung und den Betrieb von innovativen Prüfständen für grundlegende und anwendungsorientierte Forschungsarbeiten zur Verfügung.

Die neuen Kapazitäten erlauben neben der universitären Forschung auch den Ausbau der industriellen Forschung. Fragestellungen aus den Bereichen der Werkstoffwissenschaften, der Strukturauslegung und der Produktion können mit modernster Analytik, neuesten Softwaretools und der praxisnahen Umsetzung in Prüfständen sowohl in geförderten Kooperationsprojekten als auch innerhalb eines Dienstleistungsauftrages beantwortet werden. Wir unterstützen Sie dabei von der Planung Ihres Vorhabens mit der Wahl möglicher Förderinstrumente über die Entwicklung geeigneter Untersuchungsstrategien bis zur Umsetzung in digitale oder analoge Prototypen.

For achieving high quality of in situ consolidation in thermoplastic Automated Fiber Placement, an approach is presented in this research work. The approach deals with the combination of material pre-heating and sub-ultrasonic vibration treatment. Therefore, this research work investigates the influence of frequency dependent consolidation pressure on the consolidation quality. A simplified experimental setup was developed that uses resistance electrical heating instead of the laser to establish the thermal consolidation condition in a universal testing machine. Consolidation experiments with frequencies up to 1 kHz were conducted. The manufactured specimens are examined using laser scanning microscopy to evaluate the bonding interface and differential scanning calorimetry to evaluate the degree of crystallinity. Additionally, the vibration-assisted specimens were compared to specimens manufactured with static consolidation pressure only. As a result of the experimental study, the interlaminar pore fraction and degree of compaction show a positive dependency to higher frequencies. The porosity decreases from 0.60% to 0.13% while the degree of compaction increases from 8.64% to 12.49% when increasing the vibration frequency up to 1 kHz. The differential scanning calorimetry experiments show that the crystallinity of the matrix is not affected by vibration-assisted consolidation.

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