HPCFK ist Teil des Entwicklungsteams für ein rein elektrisches Flugzeug

„Dieses industrielle Forschungsprojekt trägt maßgeblich zur Technologieentwicklung im Luftfahrtsektor, insbesondere im Bereich der Composite- und Fertigungstechnik, bei. Gleichzeitig fördern wir aktiv die Umsetzung dieser Innovationen bei kleinen und mittleren Unternehmen“, sagt Dr.-Ing. Carsten Schmidt, Leiter der Forschergruppe Hochleistungsproduktion von CFK Strukturen (HP CFK), Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität. Die Forschergruppe HP CFK am Forschungszentrum CFK Nord in Stade war Gastgeber des Kick-Off-Meetings „SHOREliner“ am 29. September dieses Jahres.

Unter Führung des EASA zertifizierten Herstellungs- und Entwicklungsunternehmens M&D Flugzeugbau entwickeln die Mitglieder des Konsortiums „SHOREliner“ ein rein elektrischen Flugzeug.

Bis Ende 2026 plant das Konsortium das technische Design eines batterieelektrisch betriebenen, 10-sitzigen Flugzeugs im Segment eSTOL Commuter (Zubringer Flugzeug mit Short-take-off-and-landing Eigenschaften) fertigzustellen.

Mitglieder des Konsortiums sind neben dem IFW und der M&D Flugzeugbau GMBH & Co.KG auch die Kasaero GmbH aus Stuttgart, Broetje Automation aus Rastede, Schill + Seilacher „Struktol“ aus Hamburg, das Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der Technischen Universität Braunschweig und das Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der Technischen Universität Clausthal.

Im Rahmen des gemeinsamen Projekts werden neben dem technischen Design des Flugzeugs selbst auch Innovationen in den Bereichen naturfaser-basierter Composite-Materialien und bio-basierter Harze, Automatisierungslösungen für die Herstellung von Composite-Teilen und Flammschutzsysteme erforscht und entwickelt. Das geplante CO²-neutrale operierbare Flugzeug soll später ebenfalls CO²-neutral hergestellt werden. Die Entwicklung klimaneutraler, energieeffizienter und ressourcenschonender Fertigungsverfahren sowie eine ökologische Lifecycle-Betrachtung sind von Beginn an Bestandteile des Gesamtprojekts.

Ziel des Kick-Off-Meetings der Konsortiumspartner war im Wesentlichen die detaillierte Verteilung der einzelnen Arbeitspakete und die Implementierung eines zuverlässigen Arbeitsprozesses.

„Dieses Meeting ist der Startschuss für die praktische Umsetzung der Grundidee, ein klimaneutrales Faserverbund-Flugzeug mit robusten aerodynamischen und STOL-Eigenschaften zu entwickeln und damit zur CO² neutralen Mobilität der Zukunft beizutragen“, sagt Tim Markwald, Geschäftsführer von M&D Flugzeugbau.

Das Projekt ist Teil des Luftfahrtforschungsprogramms (LUFO VI-3) und wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unterstützt durch den Projektträger Luftfahrtforschung (PT-LF) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Link zur Projektseite: www.hpcfk.de/shoreliner

 

Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft: Carbon-Leichtbau-Innovation halbiert Chassisgewicht des Krone Big X Feldhäckslers

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.

CompositesWorld informiert: IFW’s AFP installation enhances thermoplastic structure production

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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Die Leichtbauwelt informiert: Towpregs automatisiert zu Luftfahrt-Leichtbaustäben verarbeiten

Im Rahmen des Projektes TowPregRod entwickelt und erforscht das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover zusammen mit der Schütze GmbH & Co. KG die Endlosfertigung von CFK-Sandwichstäben. Das Projekt setzt sich die Entwicklung und Erforschung einer flexiblen Prozesskette zur kontinuierlichen Belegung, Konsolidierung und Aushärtung von CFK-Sandwichstäben zum Ziel. Mit dem flexiblen Verfahren können die Produkteigenschaften speziell auf den entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden. Das werkzeuglose Verfahren verarbeitet vorimprägnierte Kohlenstofffaserrovings (TowPregs) und hat vor allem für kostensensitive Anwendungen mit geringen Stückzahlen in der Luft- und Raumfahrt hohes Potenzial.

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Open Access Artikel verfügbar: Representative structural element approach for assessing the mechanical properties of automated fibre placement-induced defects

In this paper, a 3D finite element modelling approach is presented to assess the effects of manufacturing defects within composite structures. The mesoscale modelling approach derives the stress-strain response of a composite structure from a representative structural element. A set of tensile and bending loads is used to compute its ABD-Matrix. The boundary conditions of the model are described in detail as is the extraction of the strain and curvature response. The derived stiffness from the presented modelling approach is compared to the classical lamination theory and the models’ shortcomings are discussed. Finally, the influence of a gap, an overlap and two different-sized fuzzballs on the macroscopic mechanical properties of a composite structure are evaluated using the presented multiscale modelling approach, thereby providing stiffness matrices influenced by the defects for the use in global models of composite parts.

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Abschlussworkshop JoinTHIS: abschließendes Treffen zwischen Industriepartnern und Forscherverbund

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.

Die Forschung wächst, die Adresse bleibt – HPCFK zieht in neue Forschungseinrichtung am CFK Nord in Stade

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.

 

Open Access Artikel verfügbar: Tack of epoxy resin films for aerospace-grade prepregs: Influence of resin formulation, B-staging and toughening

Aerospace-grade prepreg resin films based on multifunctional tetraglycidyl-4,4′-methylenedianiline (TGMDA), triglycidyl p-aminophenol (TGAP), Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA) and curing agent 4,4’diaminodiphenyl sulfone (DDS) are investigated in terms of tackiness by probe testing. The model epoxy systems are modified regarding the thermoplastic toughener content (polyethersulfone, PES) and the B-stage level, which is adjusted by cure prediction based on a model-free isoconversional method (Flynn-Wall-Ozawa). Additional DSC and rheological analysis are performed to study the thermal and viscoelastic material behavior in conjunction to its impact on temperature-dependent tack. Maximum achievable tack is found to decrease as a function of both degree of conversion and toughener content. Meanwhile, both influencing factors shift the tack maximum towards higher temperatures corresponding to increased flow characteristics attributed to evolving network formation and the incorporation of high molecular weight PES. In terms of absolute tack level and corresponding temperature, probe tack values similar to commercial prepreg systems (∼100 μJ mm2) are recorded for TGMDA-based formulations containing 10 wt% PES at 20% pre-cure. Model formulations, which have neither been exposed to B-staging nor toughened, show exceptionally high tack below room temperature for all investigated epoxy prepolymers and are therefore not considered processable by automated fiber placement.

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Open Access Artikel verfügbar: An optical-flow-based monitoring method for measuring translational motion in infrared-thermographic images of AFP processes

This paper presents a novel method for a precise localization of the automated-fiber-placement head, without the need for a data access to the machine control. It is based on a sub-pixel accurate optical-flow-algorithm which determines information about the heads movement by means of the material flow in sequences of IR images. Using local curvatures in the temperature field of the IR images, feature matrices are created which can locally be compared to the features of successive images. Thus, the translation between images become visible. This enables the possibility to perform an accurate (16.8 µm) and self-sufficient process monitoring that additionally is capable of capturing the motion and position information of the AFP system and can be linked to existing algorithms for defect detection and classification.

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Open-Acces-Artikel über den Effekt der schwingungsangeregten Konsolidierung von Thermoplast-Legeprozessen erschienen: Influence of a Dynamic Consolidation Force on In Situ Consolidation Quality of Thermoplastic Composite Laminate

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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