FreePreg - eine gesamtheitliche Prozesskette für den intelligenten Einsatz von Tailored Fiber Placement
von Max Schwab und Andreas Bündgens vom Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University

2. Wie kann die Herstellung von TFP-Bauteilen noch nachhaltiger gestaltet werden?

TFP-Halbzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass die Verstärkungsfasern dabei in Kraftrichtung im Bauteil ausgerichtet werden können. Das ermöglicht beim Erstellen der Stickmuster auch, dass die Fasern möglichst nah an der Endkontur der Bauteile liegen. Damit kann der Faserverschnitt in einem Bauteil bis unter 5 % reduziert werden. Das TFP-Verfahren ist somit ein Textilverfahren, mit dem sehr materialeffizient produziert werden kann. Allerdings sind beim TFP-Fertigungsverfahren gegenüber anderer Textilverfahren weitere Hilfsstoffe notwendig, wie z. B. Stickfaden oder Trägermaterial.

 

Als Trägermaterial kann beispielsweise ein Carbonfaser-Vliesstoff eingesetzt werden, sodass sich keine Fremdstoffe im späteren Bauteil befinden. Vielmehr gibt es mittlerweile die Möglichkeit, dass diese Vliesstoffe aus recycelten Carbonfaserfilamenten produziert werden. Durch den Einsatz von Carbonfaser-Vliesstoffen können zusätzlich die anfallenden Carbonfaser-Materialabfälle im TFP-Prozess wieder in die Vliesstoff-Herstellung rückgeführt werden.

 

3. Wie kann die Performance von Leichtbauteilen durch den Einsatz von TFP gesteigert werden?

Kann der Einsatz von Carbonfaser-Rezyklat die gleiche mechanische Performance vorweisen? Klare Antwort: ja! Wird das TFP-Verfahren bzw. die Verstärkungsstrukturen lokal aufgebracht, kann die Performance lokal drastisch gesteigert werden. Im Projekt FreePreg wurden dafür gebohrte Zugproben sowie Proben mit metallischen Krafteinleitungselementen (sog. Inserts) untersucht. Als Lochverstärkung wurden auf die Proben blumenartige Lochverstärkungen auf die Prepreg-Laminate aufgebracht (s. Abb. 3).

 

In allen Fällen konnte gezeigt werden, dass die Lochverstärkungen einen großen Einfluss auf die FVK-Bauteilfestigkeit haben. Dabei konnten die Kerbzugfestigkeit um bis zu 34 %, die Ausreißkraft an Insert-Proben um bis zu 102 % maximiert werden. Vielmehr konnte dabei auch gezeigt werden, dass das Aufbringen von vorimprägnierten TFP-Verstärkungen (nach dem FreePreg-Ansatz) die Festigkeit im Verbund weiter erhöht. Nicht vorimprägnierte Verstärkungen bzw. Vliesstoffe haben dagegen einen negativen Einfluss auf die Konsolidierung der FVK-Bauteile. Durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften können bei geforderter Performance die leichteren FreePreg-Einleger benutzt werden.

 

4. Was sind mögliche Anwendungsfelder und wie sieht ein Serienfertigungsprozess aus?

Das Demonstrator-Bauteil für die Validierung der entwickelten Prozesskette stellt ein Deckenpanel für den Flugzeuginnenraum dar. Dieses Bauteil weist einen klassischen Sandwich-Aufbau auf, bei den Prepreg-Decklagen ober- und unterhalb eines Wabenkerns angebracht sind. Im Bauteil sind dabei auf der Bauteil-Rückseite zwei Aussparungen zum Anbringen von Befestigungselementen. Diese Befestigungselemente sollen die Montage des Deckenpanels in der Deckenstruktur im Flugzeuginnenraum ermöglichen. Im Projektvorhaben „FreePreg“ wurden diese Aussparungen sowie zwei weitere Stellen zur Implementierung von TFP-Lochverstärkungen ausgewählt. Insgesamt wurden somit vier Lochverstärkungen für Krafteinleitungselemente auf der Bauteil-Rückseite hergestellt (vgl. Abb. 4).

 

Zur Vereinfachung wurde im Projekt die Annahme getroffen, dass aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften der TFP-Lochverstärkungen im Referenzbauteil je zwei Decklagen notwendig sind, um die gleiche mechanische Performance an den Lochverstärkungen zu erzielen.

 

 

Aufgrund der überragenden mechanischen Eigenschaften der Lochverstärkungen kann somit lokal Material im Bauteil eingespart werden. Dabei kann eine der beiden Decklagen, die sich normalerweise oberhalb und unterhalb des Wabenkerns befinden, ersetzt werden.

 

Auf der Bauteil-Rückseite wird dann der FreePreg-Einleger eingelegt. Dieser besteht aus vier TFP-Lochverstärkungen, die auf einem Carbonfaser-Vliesstoff aufgestickt sind. Werden ganze Decklagen substituiert, ergibt sich zunächst eine Gewichtsreduktion von 23 %. Außerdem kann dadurch auch Ausgangsmaterial (Prepreg) sowie Prozesszeit für die Drapierung im Bauteil eingespart werden. Konkret: Reduktion der Materialkosten um 43 % und Reduktion der Prozesszeit um 18 %.

 

Für den genannten Anwendungsfall kann damit das Strukturgewicht im Flugzeuginnenraum reduziert werden. Aber die TFP-Lokalverstärkungen sind universal einsetzbar.

So können auch Lastgurte, Verstrebungen oder Lochverstärkungen in anderen FVK-Bauteilen integriert werden. Denkbar ist hier insbesondere eine Implementierung in Batteriekästen für die Elektromobilität der Zukunft. Aufgrund des hohen Gewichts der Batteriezellen ist hier struktureller Leichtbau enorm wichtig für die Reichweite und Performance der Autos. Das FreePreg-Verfahren kann insbesondere dort eingesetzt werden, wo hohe punktuelle oder linienartige Kräfte aufgenommen werden müssen.