Auf dem Weg zu einer emissionsfreien und nachhaltigen Zukunft tragen Hochleistungs-Faserverbundmaterialien wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) maßgeblich zu einem effizienten Ressourceneinsatz bei. Zusammen mit der Schütze GmbH erforscht und entwickelt das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover eine flexible Prozesskette für die kontinuierliche Herstellung von CFK-Sandwichstäben für die Luft- und Raumfahrt. Die im Projekt „TowPregRod” entwickelte Pilotanlage wurde das erste Mal in ihrer realen Fertigungsumgebung bei der Schütze GmbH erprobt und konnte erfolgreich in Betrieb genommen werden. Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).
In der Luft- und Raumfahrt werden höchste Anforderungen an die zum Einsatz kommenden Materialien und Komponenten gestellt. Im Verhältnis zu ihrem Gewicht bieten CFK-Stäbe außergewöhnliche Festigkeiten und unterstützen damit die Entwicklung und Produktion immer leichterer Luftfahrzeuge. Aufgrund ihrer Temperaturstabilität finden CFK-Leichtbaustäbe aber auch Anwendung in hochpräziser Messtechnik oder ermöglichen im Maschinenbau leichte und steife Konstruktionen, die gleichzeitig dynamisch und präzise arbeiten.
Am Markt erhältliche CFK-Profile werden in der Regel mittels Pultrusion hergestellt. Die trockenen Rovings oder Faserhalbzeuge durchlaufen ein Harzbad und härten anschließend beim Durchlaufen eines beheizten Formwerkzeuges aus. Anfallende Werkzeugkosten begrenzen das Verfahren vor allem auf Mittel- und Großserien. Zudem ermöglichen Pultrusionsprozesse häufig nur eine Faserablage in Ziehrichtung. Zusammen mit dem IFW hat die Schütze GmbH eine neuartige werkzeuglose Prozesskette entwickelt, um in kontinuierlicher Prozessführung CFK-Sandwichstäbe zu erzeugen.
Innerhalb des Projekts betreibt der Projektpartner Schütze die Prozessentwicklung und -erforschung für die Ablage der vorimprägnierter Rovings, sogenannte Towpregs, in Stabrichtung. Dadurch erhalten die Stäbe vor allem gute Zug- und Druckeigenschaften. Anschließend wird der unidirektional verstärkte Stab über eine vom IFW entwickelte multi-orbitale Legeeinheit mit Winkellagen versehen. Dazu legen zwei gegensinnig rotierende Orbitalträger mit jeweils bis zu zwölf Ablegeeinheiten die Towpregs auf dem Stab kontinuierlich ab.
Die Winkellagen führen vor allem zu einer höheren Torsionssteifigkeit und lassen im Falle einer Medienführung deutlich höhere Innendrücke zu. Durch den modularen Aufbau der Anlage, kann ein großes Produktspektrum an CFK-Stäben abgedeckt werden. Es können Durchmesser in einem Bereich von 15 – 80 mm und Winkellagen im Bereich von 30° – 85° hergestellt werden. Zudem erlaubt der kontinuierliche Prozess die Herstellung von Stäben mit einer ununterbrochenen Länge von bis zu 30 m. Die spezifische Anpassung der Faserorientierung und des Durchmessers ermöglicht es, die CFK-Stäbe auf individuelle Anforderungen abzustimmen und diese aufgrund der werkzeuglosen Fertigungsmethode auch bereits in Kleinserien wirtschaftlich umzusetzen.
Zuletzt konnte die Funktion der Anlage in mehreren Versuchen am Fertigungsstandort der Firma Schütze in Dorsten nachgewiesen und erfolgreich in Betrieb genommen werden. Dazu wurden insgesamt 30 m an CFK-Sandwichstäben in verschiedenen Winkelkombinationen produziert. Mit einem Stabvorschub von 6 mm/s konnten dabei vergleichsweise hohe Prozessgeschwindigkeiten erreicht werden. Im weiteren Projektverlauf steht nun eine detaillierte Charakterisierung der gefertigten Stäbe und die darauf aufbauende Optimierung der Prozessparameter im Fokus.
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