Kategorie: Abgeschlossene Projekte

AutoBLADE – Automatisierte Technologie zur Herstellung von kontinuierlich drapierten Preforms für großflächige FVK-Infusionsbauteile mit hohem Aspektverhältnis

Die Nutzbarmachung der Energie aus Gezeitenströmungen bietet großes Potenzial, den erneuerbaren Anteil im Energiemix der Zukunft zu steigern. Die Herstellung von Rotorblättern für die hierzu notwendigen Gezeitenkraftwerke ist gleichermaßen, wie die Produktion von Windkraftrotorblättern, gekennzeichnet von einem überwiegenden Anteil manueller Handarbeit. Dies betrifft insbesondere den Prozessschritt des Preformings, bei dem ein großflächiger, textiler Vorformling hergestellt wird, der in einem anschließenden Schritt mit der polymeren Matrix vakuuminfundiert wird. Während das Preforming für Bauteile kleiner und mittlerer Größe in der Regel über das Verpressen bebinderter Textillagen erfolgt, existiert kein automatisiertes Pendant für großflächige Bauteile mit einem hohen Längen-zu-Breitenverhältnis (Aspektverhältnis). Gelingt es, das Preforming für derartige FVK-Bauteile zu automatisieren, können sowohl wirtschaftliche als auch qualitätsspezifische Fertigungsoptimierungen für die nachhaltige Energieerzeugung in Aussicht gestellt werden.

Ziel des im Innovationsverbund der LU Hannover, TU Clausthal und TU Braunschweig durchzuführenden Forschungsprojekts ist die Entwicklung und Erforschung einer automatisierten Technologie zur Herstellung von kontinuierlich drapierten Preforms für großflächige FVK-Infusionsbauteile mit hohem Aspektverhältnis. Der neuartige, vollautomatisierte Herstellungsprozess, der anhand eines Technologiedemonstrators in Form eines Rotorblatts für Gezeitenkraftwerke entwickelt wird, umfasst den lagenweisen Aufbau eines Preforms durch kontinuierliches Drapieren online bebinderter textiler Halbzeuge auf komplex gekrümmte Oberflächen.

Mit Hilfe des im Projekt FlexProCFK entwickelten Funktionsdemonstrator eines Drapierlegekopfes für komplexe Strukturbauteile wird eine neue Technologie zum kontinuierlichen Aufbau eines Trockenfaser-Preforms entwickelt und erforscht. Ein Forschungsschwerpunkt ist hierbei die Fixierung des Fasertextils mittels eines aufgesprühten Binders auf der Werkzeugform oder der zuvor abgelegten Textillage, um ein Verrutschen zu vermeiden. Der Legeprozess wird dabei auf das Aktivierungsverhalten verschiedener Bindertypen angepasst und der Einfluss auf die Qualität des Preforms untersucht. Weiterführend wird das Infusionsverhalten des Preforms unter dem Einfluss des Bindermaterials und -menge in Permeabilitätsmessungen untersucht und zur Verwendung in Infusionssimulationen modelliert. Im betrachteten Technologiedemonstrator stellen fertigungsinduzierte Faserwinkelabweichungen und Faltenbildung im Preform eine der häufigsten Versagensursachen dar. Durch die stereoskopische Aufnahme der Faserstruktur nach der Ablage werden die Faserwinkel und Drapierfehler im Preform erfasst und dienen einer realitätsnahen Infusionssimulation und Strukturanalyse zur Eigenschaftscharakterisierung des Rotorblattes als Grundlage. Es wird simulativ der Einfluss lokaler Faserwinkelabweichungen auf mechanische Bauteileigenschaften wie Festigkeit und Stabilität in Abhängigkeit von Bauteilgeometrieparametern und Materialeigenschaften untersucht. Durch den kontinuierlichen Austausch im Innovationsverbund werden die Erkenntnisse aus den experimentellen und simulativen Untersuchungen effizient verknüpft und in die Prozessentwicklung zur Steigerung der Preformqualität einbezogen.

Förderer: EUROPÄISCHEN FONDS FÜR REGIONALE ENTWICKLUNG (EFRE)

Laufzeit: 2021-2022

Entwicklung der nächsten Generation von Rotorblättern für Gezeitenströmungsturbinen

Das Projekt EvoFoil erfolgt als Kooperationsprojekt der Partner Sustainable Marine Energy Canada Ltd, M&D Composites Technologie GmbH und dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover (LUH). Es handelt sich um ein internationales Forschungs- und Entwicklungskooperationsprojekt, das auf kanadischer Seite durch die Nationale Forschungseinrichtung Kanada (National Research Council of Canada – NRC) innerhalb des Industrie- und Forschungsunterstützungsprogramms (Industrial Research Assistance Program – IRAP) gefördert wird. Auf deutscher Seite erfolgt die Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) in Form des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM). Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine neue Generation von robusten und wirtschaftlichen Rotorblättern für Gezeitenströmungsturbinen zu entwickeln, die aufgrund ihres Einsatzes innerhalb der rauen Meerwasserumgebung in der Bay of Fundy vor der Küste Nova Scotia’s in Kanada erheblichen Betriebs- und Umgebungslasten, wie Korrosion und Abrasion ausgesetzt sind.

Das IFW entwickelt und erforscht innerhalb des Projekts eine belastungsgerechte Anbindung der Rotorblätter an die Turbinennabe. Grundlage bildet dabei das im DFG geförderten Schwerpunktprogramm SPP 1712 erforschte Lasteinleitungsprinzip des „Multilayer-Inserts“, bei dem Einzellagen faserverstärkter Laminate durch metallische Einleger substituiert werden, um die lokalen Eigenschaften des Laminats in Bezug auf eine Lasteinleitung zu verbessern. Dazu erforscht das IFW zunächst die das Verhalten von hybriden Bauweisen in Laminatrandbereichen und während des Betriebs in korrosiven und abrasiven Medien. Durch die großflächige Fügung entstehen zu erforschende Fragestellungen in der Grenzschicht zwischen Metall und FKV, die unter dem Einfluss von thermischen und mechanischen Lasten untersucht werden. Ziel ist es, eine geeignete Oberflächenbehandlung zu identifizieren, die eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit der verwendeten Laminate im Verbund erzeugt. Die gewonnenen Erkenntnisse der anwendungsorientierten Erforschung der Multilayer-Insert Bauweise münden in einem neuen Rotorblattdesign, das unter Zuhilfenahme numerischer Methoden in einer optimierte Blattwurzelstruktur in Mischbauweise überführt wird. Zum Schutz des Blattes werden außerdem Beschichtungssysteme entwickelt und innerhalb des Projekts durch Labor- und Feldtests auf ihre Eignung untersucht. Eine Erweiterung der Blätter um Winglets geht außerdem mit einer Wirkungsgradsteigerung einher, die die Wettbewerbsfähigkeit der neuen Blattgeneration trotz der gesteigerten Komplexität sicherstellt. In Zusammenarbeit der Partner entsteht so ein Rotorblattdesign, das den rauen Bedingungen der Offshore-Energieerzeugung gewachsen ist und ihnen bei reduziertem Wartungsaufwand standhält.

Förderer: Nationalen Forschungseinrichtung Kanada (National Research Council of Canada – NRC) und seinem Industrie- und Forschungsunterstützungsprogramm (Industrial Research Assistenz Programm – IRAP) und Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) 

Laufzeit: 2021 – 2023

Tack of Thermoset Impregnated Carbon Fibers

Charakterisierung und Modellierung von Prepreg-Tack für die automatisierte Fertigung von CFK-Strukturen

Für die Herstellung großflächiger, hochbelastbarer Faserverbund-Strukturbauteile durch automatisierte Legeprozesse wie das Automated Fiber Placement (AFP) stellt die Klebrigkeit (Tack) von Prepregs die entscheidende Materialeigenschaft in Hinblick auf eine stabile Prozessführung und die davon abhängige Laminatqualität dar. In der industriellen Fertigung beruht die Einstellung des Prepreg-Tacks derzeit vorwiegend auf Erfahrungswissen und heuristischem Vorgehen durch Trial-and-Error. Dies geschieht in der Regel unter Ausblendung von Umwelteinflüssen und den Eigenschaften des verarbeiteten Materials, sodass bei diesem Vorgehen zugrundeliegende Mechanismen und die komplexen wechselseitigen Abhängigkeiten beim Prepreg-Tack unverstanden bleiben. Ziel der von der DFG geförderten Sachbeihilfe „TackTIC“ ist daher die Generierung eines bisher nicht existenten Grundverständnisses zu Einflüssen und Wirkmechanismen des Tacks von vorimprägnierten Kohlenstofffaser-Halbzeugen und dessen Modellierung. Das zu entwickelnde Materialmodell erlaubt es erstmals, auf Grundlage von chemischer Zusammensetzung und den davon determinierten, materialinhärenten Kennwerten sowie von Prozessparametern und fertigungsrelevanten Umwelteinflüssen eine Abschätzung des sich einstellenden Klebeverhaltens vorzunehmen.

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Laufzeit: 2021-2024

inTGroH – Industrielle Fertigung einer Thermoplast-Großkomponente mit innovativen Hybrid-Strukturen

Das Projekt InTGroH hat zum Ziel, eine innovative Prozesskette zur Fertigung thermoplastischer CFK-Großkomponenten mit Hybrid-Strukturen für neue Passagierflugzeuge mit einem CFK-Thermoplast-Rumpf zu entwickeln. Aus dem heutigen Stand der Technik ist eine effiziente und wettbewerbsfähige Produktion solcher Komponenten technisch nicht realisierbar, sodass heutige Arbeitsanteile am Luftfahrtstandort Niedersachsen bei der Neuvergabe zukünftiger Flugzeugkomponenten an Wettbewerber aus Standorten mit einem geringeren Lohniveau abzufließen drohen.

Neben der Vereinfachung von verfügbaren Konsolidierungsprozessen, die auch bei heutigen duroplastischen CFK-Großkomponenten einen hohen Kostenanteil darstellen, fokussiert sich das Projekt InTGroH auf den Konsolidierungsprozess von thermoplastischen CFK-Großkomponenten und Thermoplast-Metall-Hybridbauteilen. Durch die Gegenüberstellung der verfügbaren Verfahrensalternativen soll ein kosteneffizientes Verfahren zur Konsolidierung thermoplastischer Flugzeugschalen mit lokalen Metallhybridbereichen entwickelt werden, die mit innovativen, faserverbundgerechten Montagetechnologien ergänzt werden, um am globalen Markt wettbewerbsfähig zu sein.

Förderer: Land Niedersachsen

Laufzeit: 2019-2019

JoinTHIS – Produktion in situ konsolidierter TP-CFK-Strukturen

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens JoinTHIS besteht darin, auf Grundlage von AFP- und Schweißtechnologien für Thermoplaste die interdisziplinäre Entwicklung, Umsetzung und Evaluierung einer Fertigungsmethode vorzunehmen, die die autoklavfreie Herstellung thermoplastischer CFK-Strukturen für die nächste Flugzeuggeneration ermöglicht. Mit der zu entwickelnden Fertigungsmethode wird die Voraussetzung geschaffen, strukturelle Leichtbaukonzepte für Flugzeugrümpfe auf Basis thermoplastischer faserverstärkten Werkstoffe wirtschaftlich in Großserie umzusetzen. Die Kombination prozesstechnischer Vorteile des AFP (hoher Automatisierungsgrad, flexible Bauteilgeometrien) mit den Vorzügen thermoplastischer Matrixmaterialien gegenüber duromeren Systemen (in situ Konsolidierung, Schweiß- und Recyclierbarkeit) ermöglicht stark verkürzte Taktzeiten, sodass hohe Produktionsraten im Flugzeugbau (>100 Stk./Monat) realisiert werden können. Indem die Produktions- und Ressourceneffizienz gesteigert sowie CO₂-Emissionen reduziert werden, leistet die zu entwickelnde Fertigungsmethode einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen Mobilitätsstrategie, wie sie mit dem FlightPath 2050 durch die Europäische Kommission vorgestellt wurde.

Förderer: EUROPÄISCHEN FONDS FÜR REGIONALE ENTWICKLUNG (EFRE)

Laufzeit: 2018-2021

Das Projekt „FlexProCFK“ ist eine Kooperation des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, des Instituts für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der Technischen Universität Braunschweig und des Instituts für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK). Ziel des Projektes ist eine innovative flexible Fertigungstechnologie für die Herstellung individualisierter CFK-Strukturen zu entwerfen, zu bewerten und umzusetzen. Dabei wird das kontinuierliche Nassdrapieren als neue Fertigungstechnologie entwickelt, bei dem trockene Faserhalbzeuge individuell mit Harz benetzt und anschließend zu komplexen Geometrien drapiert werden.

Die Umsetzung des Kontinuierlichen Nassdrapieren (CWD, engl. Continous Wet Draping) und dessen Bewertung stellt eine interdisziplinäre Entwicklungsaufgabe dar, deren Bewältigung die im Verbund gebündelten Kompetenzen in den Bereichen Strukturentwicklung, neue Materialien und Automatisierungs- und Produktionstechnik erfordert. Die Verbundpartner bearbeiten dazu folgende Themenstellungen:

• Entwicklung einer Methode zur Einbeziehung von Individualisierung in den integrierten Struktur- und Produktionsauslegungsprozess (IFL)
• Entwicklung und Erforschung einer Methode und eines Moduls zum gezielten Auftrags des Matrixsystems auf textile Halbzeuge (PuK)
• Bewertung der neuartigen CWD-Technologie zur flexiblen Fertigung individualisierter Versteifungsstrukturen im Kontext des integrierten Auslegungsprozesses von Struktur und Produktion (IFL)
• Erforschung und gezielte Beeinflussung des Drapierverhaltens von textilen Halbzeugen mit lokal veränderlichen Eigenschaften auf komplex gekrümmten Oberflächen (PuK)
• Entwicklung und Erforschung einer Methode und der Module zum Drapierlegen von variablen CFK-Halbzeugen auf beliebig verlaufenden und veränderlichen Profilen (IFW)
• Entwicklung und Erforschung einer Methode und deren Module zum flexiblen Bevorraten und Online-Konfektionieren von CFK-Halbzeugen für ein flexibilisiertes Drapierlegen (IFW)

Die Umsetzung der neuen Technologie erfolgt mit industrieller Beteiligung. Durch die Zusammenarbeit mit lokalen kleinen und mittelständischen Unternehmen unterstützt das Projekt den Innovationstransfer und -austausch in Niedersachen.

Förderer: EUROPÄISCHEN FONDS FÜR REGIONALE ENTWICKLUNG (EFRE)

Laufzeit: 2016-2019

Robuste Fiberplacement-Anlagen für Luftfahrtstrukturen

Zur Sicherung einer leistungsfähigen und effizienten Luftfahrt ist die (Weiter-)Entwicklung und Optimierung von Fertigungsprozessen, die das Leichtbaupotential von Luftfahrtstrukturen erhöhen und damit zu einem umweltverträglichen Lufttransportsystem beitragen von zentraler Bedeutung. Das Projekt ROBUFIL leistet einen Beitrag mit der Entwicklung einer Fertigungsanlage und der zugehörigen Technologien für die automatisierte Herstellung von CFK-Strukturen mittels Automated-Fibre-Placement (AFP) und Automated-Tape-Laying (ATL), welche die Kombination von ATL- und AFP-Verfahren in einem Bauteil sowie Fibre-Placement mit unterschiedlichen Halbzeugarten ermöglicht. Das Gesamtziel des Vorhabens ist die prozesstechnische Optimierung der Verfahren Fiber Placement und Tapelegen, wobei der Schwerpunkt bei einem robusten Fiber Placement Prozess liegt. Das Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik bringt sich hier besonders in Fragestellungen das Material und die Demonstratorbauteilauslegung betreffend ein.

Es wird zunächst ein Basismaterial auf Epoxidharzbasis und aufbauend auf den Erkenntnissen als Optionssystem ein bebindertes Dry Tape oder ein thermoplastisches Prepreg untersucht. Eine tiefergehende Analyse des Ausgangsmaterials und des aus dem Ablageprozess hervorgehenden Laminats in Bezug auf die Prozessparameter, insbesondere das Zusammenwirken von Temperatur (Heizmethode und ‐rate), und damit des Viskositätsgrades der Matrix und dem Kompaktierungsverhalten des Materials sowie die Interaktion des Halbzeugs mit den Oberflächen des Fördersystems zu verstehen und beschreiben, erlaubt ein praktikables Materialmodell für den Prozess zu ermitteln und eine Optimierung der Ablegezeiten zu erreichen. Zusätzlich sollen im Rahmen dieser Versuche und Analysen Auslegungsmethoden für in diesem Verfahren hergestellte Bauteile erarbeitet und bewertet und so die leistungsfähige und kostengünstige Herstellung von Luftfahrtbauteilen unterstützt werden. Die Technologiedemonstration zum Ende des Vorhabens verfolgt das Ziel, die im Labor eruierten Zusammenhänge auf die Fiber Placement Anlage zu übertragen, indem der Einfluss der Prozessparameter auf die Laminatqualität direkt an der Anlage untersucht wird.

Das Projekt ROBUFIL ist eine Kooperation des Instituts für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der Technischen Universität Clausthal, der Brötje Automation Composites GmbH und der SWMS Systemtechnik Ingenieurgesellschaft mbH und wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Laufzeit: 2016-2018