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Dr. Carsten Schmidt – Niedersächsische Forschungskooperation zur Hochleistungsproduktion von CFK-Strukturen

Neuer AFP-Legekopf – Leichtbauproduktion im SCALE: IFW testet erfolgreich neues AFP-System

Neuzugang am IFW für Pionierarbeit in der Forschung zur flexiblen und automatisierten Fertigung von Hochleistungs-Faserverbundbauteilen: Ein Team der IFW-Außenstelle in Stade hat das mit Hochspannung erwartete Automated Fiber Placement (AFP) System AFP-X der Firma Addcomposites umfassend getestet und zusammen mit dem Entwicklungsteam erste Bauteile gefertigt. Das nach Anforderungen des IFWs neu entwickelte Legesystem erweitert die Möglichkeiten zur Erforschung der Herstellung von leichten, gleichzeitig hochfesten Komponenten für anspruchsvolle Anwendungen in Luft- und Raumfahrt und weiteren spezialisierten Branchen.

 

Die neue Fertigungszelle des IFWs im interdisziplinären Forschungsbau SCALE konnte ihre Flexibilität nun unter Beweis stellen. Die Zelle wurde im Zuge des vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderten Projektes „PräziLight“ realisiert, mit dem Ziel eine Forschungsinfrastruktur für die hochproduktive Herstellung von neuartigen Faserverbundstrukturen für zukünftige Flugzeuggenerationen zu schaffen. Sie besteht aus dem neuen AFP-Legekopf, der an einem 6-Achs-Industrieroboter montiert ist und mit diesem auf einer Linearachse verfahren kann, sowie einem Dreh-Schwenktisch und einer Rotationsachse zur Bereitstellung von Ablegewerkzeugen. In den ersten Versuchen wurden nun erfolgreich Bauteile aus thermoplastischem sowie duromerem Kohlenstofffaserverbundmaterial (CFK) im Automated Fiber Placement Verfahren hergestellt.

Das Automated Fiber Placement ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem dünne Bänder (Tows) aus Kohlenstofffaserverbundmaterial mittels eines Legekopfes automatisiert und präzise unter Einwirkung von Druck und Temperatur auf eine Form aufgebracht werden. Das Tow-Halbzeug besteht dabei aus hochfesten Endlosfasern aus Kohlenstoff, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, wodurch die Bänder und die späteren Bauteile ihre Form erhalten. Die Matrix kann dabei entweder aus thermoplastischem oder duromerem Kunststoff bestehen, wodurch unterschiedliche Eigenschaften in der Verarbeitung und im späteren Bauteil erreicht werden. Eine Besonderheit des neuen Legekopfes ist, dass dieser abwechselnd beide Tow-Halbzeugarten nach nur kurzer Umbauzeit verarbeiten kann. So können am Legekopf auch verschiedene Heizquellen eingesetzt werden, beispielsweise eine Infrarotlampe für Niedrigtemperaturanwendungen oder eine Breitband-Heizquelle mit Xenon-Flashlamp-Technologie des Herstellers Heraeus Noblelight für die Hochtemperatur-Verarbeitung von thermoplastischen Halbzeugen. Die Flashlamp erweitert Forschungsmöglichkeiten des IFWs im Bereich der thermoplastischen Verarbeitung zusätzlich zum laserbasierten System in Stade und ermöglicht hohe Leistungen sowie eine homogene Aufheizung ohne aufwändige Laserschutzanforderungen. 

Das IFW ist weltweit der erste Kunde des neu entwickelten 4-Tow-Systems der finnischen Firma Addcomposites, die sich mit ihren 1-Tow Systemen einen Namen im Bereich kompakter Automated-Fiber-Placement-Gesamtlösungen gemacht hat. Die Fähigkeit, vier Tows gleichzeitig statt nur einen abzulegen, steigert die Produktivität des Systems erheblich. Nach zwei Eigenentwicklungen, die am Außenstandort Stade im Einsatz sind, ist der AFP-X der dritte AFP-Legekopf des IFWs und der Erste am Standort Garbsen.

In Zukunft wird die Legezelle für die Erforschung effizienter Leichtbaustrukturen und moderner Heizmethoden, der 2,5D-Ablage auf komplexen Bauteilen sowie zur Fertigung von Wasserstofftanks für kommende Flugzeuggenerationen eingesetzt. Die Legezelle erweitert somit die Produktionskompetenz des IFWs im Bereich automatisierter Fertigung für Faserverbundstrukturen nachhaltig.

Das IFW bedankt sich beim Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) für die Förderung des Projektes „PräziLight“.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen Tim Tiemann, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter +49 (0) 4141 – 77638 – 207 oder per E-Mail unter tiemann@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.

Es ist geschafft!

Pünktlich zur HANNOVER MESSE hat unser Partner MD Composites Technology GmbH den Prototypen des weltweit ersten Leichtbauchassis auf Kohlenstofffaserbasis für den Feldhäcksler BigX der Fa. Maschinenfabrik Bernard KRONE GmbH & Co. KG fertiggestellt. Das Chassis befindet sich jetzt auf dem Weg nach Hannover und wird dann vom 22.-26. April am Stand 22 in Halle 4 zu sehen sein.

Das gesamte Projektteam AgriLight freut sich auf Ihren Besuch auf der HM24!

Noch kein Ticket? Buchen Sie noch jetzt kostenlos ein Ticket.

Noch keinen Gesprächstermin? Nehmen Sie Kontakt mit uns auf und senden uns gerne eine Terminanfrage.

Das Forschungsprojekt AgriLight wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Technologietransferprogramms Leichtbau (TTP LB) gefördert. Wir danken dem BMWK aufrichtig für ihre Unterstützung.

 

Besuch der AKAFLIEG Hannover

Gestern hatten wir das Vergnügen, die Akademische Fliegergruppe Hannover bei uns zu begrüßen. Die Akaflieg ist ein eingetragener gemeinnütziger Verein für Studenten und Absolventen der Leibniz Universität Hannover sowie anderer Hochschulen Hannovers. Neben der Vermittlung von Wissen über Wartung, Bau und Flugausbildung auf Segelflugzeugen entwickeln und konstruieren die Teammitglieder des Vereins eigene Fluggeräte bis hin zur Erprobung.
Wir verbrachten einen inspirierenden Nachmittag zusammen, gefüllt mit anregenden Gesprächen und dem Austausch von Ideen. Bei einem Rundgang durch unser Versuchsfeld präsentierten wir die Ergebnisse unserer Forschungsprojekte und diskutierten intensiv über verschiedenste Themen. Das Spektrum reichte von der Entwicklung elektrisch angetriebener Faserverbundflugzeuge, deren Auslegung unter Berücksichtigung von Crashanforderungen, über unterschiedliche Produktionstechnologien zur automatisierten Herstellung von Faserverbundstrukturen u.a. mit KI-unterstützten Prüfmethoden bis hin zu Anwendungen für Faserverbundmaterialien in der Agrartechnik, Medizintechnik oder Energietechnik.
Darüber hinaus präsentierten wir Ergebnisse diverser grundlagenorientierter Forschungsprojekte im Bereich schweißtechnische Fügemethoden, in-situ Konsolidierung von Thermoplast- und Sandwichstrukturen, presstechnische Verarbeitung von besonders dickwandigen Strukturen sowie unkonventionell versteiften Strukturlayouts für zukünftige Flugzeuggenerationen.
Wir möchten dem gesamten Team der Akaflieg Hannover für ihre Initiative und ihren Besuch danken und freuen uns schon jetzt auf eine Wiederholung in den kommenden Jahren. Bis zum nächsten Mal!

SHOREliner

Entwicklung eines klimaneutralen Faserverbund-Flugzeugs mit robusten aerodynamischen und STOL-Eigenschaften für den Einsatz als Multi-Purpose-Commuter

Seit Jahrzehnten wächst der weltweite Luftverkehr. Heutzutage werden nahezu alle Flugzeuge mit fossilen Brennstoffen angetrieben, was zu einer gleichzeitigen Zunahme der globalen CO2-Emissionen der Luftfahrt führt. Ihr Anteil an den weltweiten CO2-Emissionen liegt bei etwa 2%. Die Elektrifizierung des Luftfahrtantriebs macht das Fliegen ohne jeglichen Ausstoß von Abgasemissionen bereits heute möglich, jedoch wurde sie bisher noch nicht in den Regionen umgesetzt, in denen dies besonders plausibel und dringlich ist.

Der SHOREliner ist ein vollelektrisches, klimaneutrales Faserverbund-Flugzeug, das weltweit für eine nachhaltige, umweltfreundliche und ressourcenschonende Luftfahrt steht. Er setzt regional dort an, wo Umweltverträglichkeit auf mehreren Ebenen besonders erforderlich ist, nämlich auf Kurzstrecken in ökologisch sensiblen Küstenregionen. Dank des elektrischen Antriebs ist das Konzept im Betrieb CO2- und schadstofffrei, wenn die örtlich verfügbare Wind- und Solarenergie genutzt wird. Zudem minimiert es den Einfluss auf die lokale Umwelt durch die Reduzierung der Lärmemission. Aufgrund seiner robusten Eigenschaften eignet sich der SHOREliner für zahlreiche Kurzstreckenflüge in windigen Küstenregionen mit kurzen Landepisten und vielfältigen Anwendungsbereichen.

Da die Umweltauswirkungen eines Flugzeugs nicht auf den Betrieb beschränkt sind, ist der SHOREliner über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg auf minimale Umwelteinflüsse ausgerichtet. Die Partner des im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms VI-3 geförderten Vorhabens konzentrieren sich darauf, einen äußerst kurzen Entwicklungsprozess zu ermöglichen, Hochleistungsmaterialien in einer effizienten und ressourcenschonenden Prozesskette einzusetzen und die Prototypenfertigung und -zertifizierung durch Simulationen und KI zu unterstützen.

Die Projektkoordination und den Hauptverantwortlichen für den Flugzeugentwurf übernimmt M&D Flugzeugbau, ein EASA-zertifizierter Entwickler, Hersteller und Zulieferer für die Luftfahrtindustrie. Das IFL der TU Braunschweig arbeitet in Zusammenarbeit mit dem IFW der Leibniz Universität Hannover an der Umsetzung einer multidisziplinären Methode zur Verknüpfung von Strukturentwurf und Fertigungsplanung und wird diese durch simulationsgestützte Impactanalysen unterstützen. Das IFW ist außerdem zusammen mit dem Projektpartner Broetje-Automation, dem Spezialisten für Produktionsprozesse in der Luft- und Raumfahrtindustrie, an der Entwicklung eines nachhaltigen Fertigungsprozesses für den SHOREliner beteiligt. Projektpartner Schill & Seilacher „Struktol“ produziert chemische Spezialprodukte für Composite-Anwendungen und entwickelt die Matrixsysteme für die Faserverbundstrukturen, die im Rahmen der vom PuK der Tu Clausthal entwickelten Konzepte zum Brandschutz der Antriebsstrukturen und zur Verwendung nachhaltiger Materialien in Strukturbauteilen eingesetzt werden.

Im Rahmen des LuFo VI-3 wird die erste Projektphase des SHOREliners umgesetzt, die sich hauptsächlich auf das Design (Concpetual Design, Preliminary Design, Detailed Design) konzentriert und von technologischen Untersuchungen begleitet wird.

Laufzeit: 2023 – 2026

Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Luftfahrtforschungsprogramm (LuFo VI)

TheSaLab

Grundlagen zur Herstellung von Thermoplast-Sandwichstrukturen mittels Laser-basiertem in-situ Thermoplast Automated Fiber Placement

Strukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bieten aufgrund der hohen spezifischen Festigkeiten ein enormes Leichtbaupotential. In den letzten Jahren geht der Trend von duroplastischen zu thermoplastischen Materialien, um die Vorteile der Recyclierbarkeit sowie des Fügens zweier Bauteile durch lokales Aufschmelzen der Matrix nutzen zu können. Ein besonders gutes Verhältnis von mechanischen Eigenschaften zu Gewicht wird durch Sandwichstrukturen erreicht. Die Herstellung von thermoplastischen Sandwichstrukturen mit den gängigen Verfahren ist aktuell auf ebene Bauteile beschränkt. Vereinzelte Ansätze zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen erfordern hochkomplexe Werkzeuge sowie mehrschrittige Fertigungsprozesse und sind zudem auf eine einzige festzulegende Form begrenzt. Das Thermoplast Automated Fiber Placement (TAFP) bietet hingegen einen flexiblen Faserverbund-Fertigungsprozess. Für Prozesse, in denen gleichartige Halbzeuge verwendet werden, existiert bereits ein umfassendes Prozessverständnis. Allerdings fehlt Wissen über die Wirkmechanismen und die Ausprägung der optisch-thermomechanischen Wechselwirkungen bei der Ablage von anisotropen Tapes auf isotrope Schaumstrukturen. In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung einer kohäsiven Anbindung zwischen abgelegten Tapes und Schaumkern unter TAFP Prozessbedingungen prinzipiell möglich ist. Allerdings kommt es bei der Wahl ungeeigneter Prozessparameter zu einem lokalen Kollabieren der Schaumstruktur oder zu einer unzureichenden kohäsiven Anbindung der beiden Fügepartner.

Das Ziel dieses Projektes ist daher, ein grundlegendes Verständnis über die Zusammenhänge der optischen-thermomechanischen Wechselwirkungen in der Heiz- und Fügezone bei der Ablage kohlenstofffaserverstärkter thermoplastischer Tapes auf thermoplastischen Schaumkernen mittels laserbasiertem TAFP zu entwickeln. Hierzu wird in einem ersten Schritt die optische Interaktion der Laserstrahlung mit dem Schaummaterial und den Prepreg-Tapes untersucht und die aus der Reflexions-, Absorptions- und Transmissionscharakteristik der beiden Fügepartner resultierende Leistungsverteilung in der Heizzone in Abhängigkeit der Lasereinstellungen modellbasiert bestimmt. Des Weiteren wird das Schaum- und Konsolidierungsrollenverhalten unter Prozessparametern mechanisch charakterisiert und in Materialmodelle überführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Anschluss in ein thermomechanisches Prozessmodell zusammengeführt und validiert. Über eine Kopplung des thermomechanischen Prozessmodells mit einem Verbindungsfestigkeitsmodell wird der Einfluss der Prozessparameter auf die Anbindungsqualität zwischen abgelegten Tapeschichten und Schaumkern erforscht. Durch die Generierung eines grundlegenden Verständnisses wird die Grundlage zur Herstellung individuell gekrümmter thermoplastischer Sandwichstrukturen mittels laserbasiertem TAFP geschaffen.

 

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Laufzeit: 2023-2026

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

 

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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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.