IKV: 3D-Faserspritzen für die Großserie

Anlage zur automatisierten Preformherstellung im FVK-Technikum des IKV (Bild: Winandy/IKV)

Das Thema „3D-Faserspritzen für die Großserie“ ist ein besonderes Highlight des diesjährigen IKV-Kolloquiums.

Die Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoffe mit thermoplastischer Matrix (TP-FVK) erfolgt in der Regel durch das Umformen vorimprägnierter ebener Halbzeuge. Dabei werden diese in einem ersten Schritt über die Schmelztemperatur der Matrix erwärmt und in einem zweiten Schritt umgeformt. Mit diesem Verfahren lassen sich TP-FVK- Bauteile automatisiert und wirtschaftlich herstellen. Der Umformgrad der Halbzeuge ist bei diesem Verfahren allerdings begrenzt und die Faserorientierung wird durch die Umformung bestimmt.

Neue Preformingtechnologie für gewichtsoptimierte FVK-Bauteile
Um dieses Problem zu lösen, hat das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen das 3D-Faserspritzen entwickelt. Mit diesem Verfahren können dreidimensionale, endkonturnahe Preforms mit lokal einstellbaren Eigenschaftsprofilen wie z.B. Faserorientierung oder Dicke automatisiert hergestellt werden. Als Ausgangsmaterial werden Hybridgarne, bestehend aus Verstärkungsfasern und Matrixfasern, verwendet. Im Prozess wird das Hybridgarn in ein feststehendes Schneidwerk eingezogen und auf definierte Faserlängen zwischen 12,5 mm und 50 mm geschnitten. In einer nachfolgenden Faserleiteinheit können die Fasern in einem Luftstrom ausgerichtet und auf eine luftdurchlässige endkonturnahe Form aufgespritzt werden. An der luftdurchlässigen Form liegt ein Vakuum an, welches die Fasern temporär in der abgelegten Position fixiert. Die Form ist auf einem 6-Achs-Roboter montiert, so dass dreidimensionale Preforms gefertigt werden können.

Das Verbinden der Fasern zu einem handhabbaren Preform erfolgt durch ein Heißluftgebläse. Dieses schmilzt die Matrixfasern oberflächlich an und die Einzelfasern verbinden sich zu einem endkonturnahen Preform. Durch die Ausrichtung der Fasern im Luftstrom können die Faserorientierungen im Preform und somit die mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils eingestellt werden. Die Konsolidierung der Preforms zu einem Bauteil erfolgt in einen Pressprozess. Durch die Verwendung dreidimensionaler Preforms ist eine Umformung nicht notwendig und die eingestellten Faserorientierungen bleiben im Bauteil erhalten.

Im Gegensatz zu den klassischen Verfahrensvarianten zur Herstellung hochbelasteter Bauteile mit gerichteten Fasern wird beim 3D-Faserspritzen der teure Textilherstellungsschritt eingespart und das aufwändige manuelle Drapieren entfällt. Des Weiteren entfällt der übliche Verschnitt durch die endkonturnahe Fertigung der Preforms, Die Preforms werden somit durch dieses automatisierte Verfahren wesentlich wirtschaftlicher hergestellt. Für Kunststoffverarbeiter ergibt sich dadurch die Möglichkeit, neue Marktsegmente für sich zu erschließen.

Beim 26. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium am 7. und 8. März 2012 in Aachen werden die dargestellten Forschungsarbeiten in einem Vortrag diskutiert. Bei der Institutsbesichtigung kann die Anlage im laufenden Betrieb begutachtet werden.

Weitere Informationen: www.ikv-kolloquium.de, www.ikv-aachen.de

26. Int. Kunststofftechnisches Kolloquium, 7.-8. März 2012, Aachen

Institut für Kunststoffverarbeitung, Aachen

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