Faserverbund-Bauweisen

Forschungsschwerpunkt

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten aufgrund ihrer gezielt einstellbaren Werkstoffeigenschaften ein großes Potenzial zum Leichtbau; gleichzeitig ergibt sich daraus eine besondere Herausforderung für die werkstoffgerechte Konstruktion. Am Fachgebiet KLuB werden geeignete Bauweisen für Strukturelemente und Krafteinleitungen entwickelt und unter Berücksichtigung der praktischen Umsetzung in der Fertigung bis zum Prototyp ausgearbeitet.

Faser-Kunststoff-Verbunde eignen sich ideal als Konstruktionswerkstoff für Hochdruckbehälter. Die Abstimmung des orthotropen Werkstoffs auf den zweiachsigen Spannungszustand in der Behälterwandung ermöglicht die Auslegung leichtbaugerechteter Druckbehälter, die sich darüber hinaus dank ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit in der Praxis durchgesetzt haben.

Angespornt durch strenge Recyclingquoten im Automobilsektor, die zunehmende Verbreitung thermoplastischer Prepregs und dem Wunsch nach einer Funktionserweiterungen von Drucktanks soll eine neue Bauweise für zukünftige Hochdruckbehälter entwickelt werden, die die Schwachstellen klassischer Wickeltanks aufgreift.

Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens ist die konstruktive Grundlagenuntersuchung einer modularen Behälterbauweise für Hochdruckanwendungen. Mit der Entwicklung einer solchen Bauweise sollen recyclingfähige Hochdruckbehälter etabliert werden, deren Bauweise eine vereinfachte Anbindung an umliegende Strukturen ermöglicht. Durch die modularisierte Bauweise, bei der Böden und Zylinder separat gefertigt werden, wird der Innenraum der Behälter zugänglich. Daraus resultiert eine mögliche Funktionserweiterung der Konstruktion von einem reinen Druckbehälter hin zu Kolbenspeichern, Hydraulikzylindern und durch geeignete Füllstoffe auch zu Wasserstoffhydridspeichern. Um diese Vorteile zu erreichen, wird eine Untersuchung verschiedener Bodenkonzepte für modulare Druckbehälter und der entsprechenden Verbindungstechniken durchgeführt.

Im Maschinenbau ist eine Vielzahl zylindrischer Strukturkomponenten vorhanden. Neben dem oben genannten Drucktank stellen besonders Antriebswellen und Druckzylinder wichtige Komponenten dar. Für einen erfolgreichen Einsatz von FKV in Strukturbauteilen ist neben der Konstruktion ein geeignetes Fertigungsverfahren notwendig. Am Fachgebiet wird mit dem Schleuderverfahren ein Prozess zur Herstellung von Endlosfaser-verstärkten thermoplastischen FKV-Zylindern untersucht. Die Vorteile des Verfahrens sind die Fertigung in engen Toleranzen, die Möglichkeit einer Netshape-Fertigung sowie die Herstellung von Zylindern mit Faserwinkeln zwischen 0° und 90°.

Krafteinleitungen stellen bei der Konstruktion von Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen meist die größte Herausforderung dar. Dies gründet hauptsächlich in den anisotropen Werkstoffeigenschaften der FKV. Ohne ein technisch und wirtschaftlich überzeugendes Konzept, besteht die Gefahr den Leichtbauvorteil der gesamten FKV-Struktur zu verlieren. Mit zunehmender Verbreitung von FKV kommen diese in neuen Anwendungsbereichen auch mit größeren Laminatdicken, bspw. in Werkzeugmaschinen, zum Einsatz. Für diese Strukturen ist es unbedingt erforderlich, als Grundlagenforschung technisch und wirtschaftlich optimale Konzepte zu erarbeiten und sie nach experimenteller Überprüfung den FKV-Konstrukteuren als ausgetestete Lösungen zur Verfügung zu stellen. Dies trägt dazu bei die Einsatzmöglichkeiten für FKV auch in weiteren Anwendungsbereichen zu verbreiten. Am Klub wird derzeit die Einleitung punktueller Lasten in FKV-Laminate untersucht.

An Werkzeugmaschinen werden immer höhere Anforderungen hinsichtlich ihrer Bearbeitungsgeschwindigkeit und Bearbeitungsgenauigkeit gestellt. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, müssen bewegte Komponenten eine geringe Masse bei gleichzeitig hoher Struktursteifigkeit aufweisen. Hierbei gilt der Leichtbau mit Blechstrukturen und Aluminiumguss als weitestgehend ausgereizt.

Faser-Kunststoff-Verbunde und insbesondere Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe (CFK) bieten die Möglichkeit, die gewichtsbezogene Struktursteifigkeit einzelner Maschinenkomponenten weiter zu steigern. Darüber hinaus bietet der Werkstoff CFK Eigenschaften, die genutzt werden können, um die Bearbeitungsgenauigkeit zusätzlich zu erhöhen. Dazu zählen die gute Werkstoffdämpfung und die Möglichkeit, die thermische Ausdehnung entscheidender Werkzeugmaschinenkomponenten gezielt einzustellen bzw. zu eliminieren.

Die Einführung von FKV-Komponenten in den Werkzeugmaschinenbau stellt konstruktiv, aber auch fertigungstechnisch eine Herausforderung dar. Hierzu ist es notwendig, eine grundlegende Konstruktionsmethodik zu entwickeln. Um auf kostenintensive und aufwändige Herstellungsverfahren verzichten zu können, wird der Ansatz verfolgt, einfache FKV-Halbzeuge einzusetzen. Diese lassen sich in konventionellen Bauweisen zu komplexen Strukturen fügen.