Flexible und reproduzierbare Preformherstellung - Herzog ...

13. Chemnitzer Textiltechnik Tagung März 2012
Flexible und reporduzierbare Preformherstellung mittels
Flechttechnik
Dipl.-Ing. (FH) Guido Grave
Dr. Janpeter Horn
August Herzog Maschinenfabrik GmbH & Co.KG,
Deutschland
g.grave@herzog-online.com
Abstract
Die Radialflechttechnik ist heute Industriestandard bei der Preformherstellung mittels
Flechten. Dabei sind bi- und triaxiale Strukturen im Einsatz.
Entwicklungsschwerpunkte sind nunmehr die Reproduzierbarkeit, Flexibilisierung,
Autonomisierung und Automatisierung des gesamten Prozesses. Verschiedene
Möglichkeiten der Kernzuführung und des Handlings sind mittlerweile im Einsatz.
Auch eine Erhöhung der Autonomie ist möglich. Ferner lassen neue Maschinen- und
Führungskonzepte das Umflechten geschlossener und komplexer Rahmen und
Bauteile zu. Sie erlauben insbesondere bei Flug- und Fahrzeugen neue
Konstruktionsmöglichkeiten.
1 Einleitung Flechttechnologie
1.1 Anwendung der Flechttechnik in der Preformherstellung
Ein großer Teil der modernen Verbundbauverfahren nutzen Fasern als Zugglieder.
Liegen diese Fasern als Garn vor, bieten sich sämtliche klassischen textilen
Fertigungsverfahren zur Herstellung von ganzen oder partiellen Halbzeugen an. Am
bekanntesten und weit verbreitet sind hier Gelege und Gewebe für flächige Bauteile.
Sollen aber lineare Bauteile erstellt werden, steht die Flechttechnologie im
Vordergrund. Mit ihr können gerade und räumlich gekrümmte Linearbauteile erstellt
werden. Durch die flexible Fertigungstechnik können Faserwinkel angepasst,
Konturen integriert und Durchmesserveränderungen realisiert werden.
Da die Fasern ungebunden schlaff sind, wird für eine endkonturnahe Preform auf
Kerne geflochten. Die Kerne können aus unterschiedlichen Materialien bestehen und
werden - je nach Konzept - im Bauteil zur Strukturverstärkung belassen oder nach
dem Aushärten zur Gewichtsreduzierung entfernt.
1.2 Einführung Flechttechnik
Bei dem Vorgang des Flechtens handelt es sich um das regelmäßige Verkreuzen
mehrerer Stränge aus biegsamem Materialen. Beispiele manuell gefertigter
Geflechte wurden schon weit vor Christi Geburt datiert. Mitte des 18ten Jahrhunderts
entstanden zeitgleich in den Regionen Manchester und Barmen die ersten
Flechtmaschinen.
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Abb. 1: Schema Rundflechten / Overbraiding
Wurden zuerst Naturfasern verflochten, so können heute mit modernen
Flechtmaschinen alle Chemiefasern und Drähte verarbeitet werden. Sprödes
Material wie Carbon erfordert dabei ein besonderes Know-how in der
Maschinenkonstruktion.
Die Radialflechtmaschinen der Firma August Herzog Maschinenfabrik wurden
speziell für die Verarbeitung von Carbon entwickelte und optimiert. Durch die radiale
Bauform und das Garnträgerdesign wird der Filamentbruch gegenüber
konventionellen Flechtmaschinen deutlich vermindert. Als positiver Nebeneffekt
ergibt sich aus der geringeren Bautiefe der Maschine eine größere Flexibilität für
gekrümmte Bauteile. [1]
Die beste Ausnutzung der Fasern wird dann erreicht, wenn die Garne
kraftflussgerecht eingebracht werden.
Beim Flechten gibt es drei Einbringungsmöglichkeiten. Die eigentlichen Flechtfäden
laufen von den Garnträgern ab und können theoretisch annähernd zwischen 0° und
90° abgelegt werden. Wobei in der Praxis eher zwischen 20° bis 80° angewendet
wird. Ein Geflecht nur aus Flechtfäden wird auch biaxiales Geflecht genannt. Werden
zusätzlich noch sogenannte Zettelfäden oder 0°-Fäden eingeführt, spricht man von
einem triaxialen Geflecht. Die Zettelfäden werden durch Bohrungen in den
Flügelrädern geführt und werden von den Flechtfäden in der Geflechtslage
abgebunden. Durch diesen Verbund erlangt ein triaxiales Geflecht komplett andere
Charakteristika als ein biaxiales Geflecht. Letzte Einbringungsmöglichkeit ist das
sogenannte Seelmaterial. Hier wird das Material unter der Geflechtslage vor dem
Aushärten nur durch Reibung fixiert. Dabei kommen neben Fasern auch Halbzeuge
zum Einsatz. [2]
Der Geflechtswinkel ergibt sich aus der Geschwindigkeitsrelation von Flügelrädern
und Abzugseinheit. Werden nur Schläuche oder Litzen als Halbzeug produziert, kann
ein Endlosabzug über Scheiben erfolgen. Bei endkonturnahen Formen wird auf einen
Kern geflochten. Für die Führung diese Kerns gibt es unterschiedliche System wie
z.B. Roboter, Kranportale oder Linearführungen.
Eine weitere Einflussnahme auf die Geflechtsstruktur kann durch die Besetzung der
Maschine erreicht werden. Jede Flechtmaschine hat eine maximale Anzahl von
Garnträgern, mit der sie betrieben werden kann. Kann zwar man ohne bauliche
Veränderung nicht mehr Fäden verarbeiten, ist es aber möglich, durch das
Weglassen oder das Umordnen der Klöppelfolge unterschiedliche Strukturen zu
erzielen. Neben Eigenschaften wie der Drapierfähigkeit gilt es hier insbesondere die
Ondulation der Faserstränge zu berücksichtigen. Betrachtet man einen einzelnen
Roving im Geflecht, so verläuft er regelmäßig über und unter den gegenläufigen

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Rovings. Dieser Verlauf bedeutet eine Abweichung von der optimalen geradlinigen
Ausrichtung. Die heute gebräuchlichste Besetzung – deshalb auch normale
Besetzung genannt – führt zu einer zweiflechtigen Bindung. Ein Entfernen von 50%
der Garne führt zu einer sogenannten halben Besetzung mit einer einflechtigen
Bindung, die die Ondulation verschärft. Allerdings kann durch ein geschicktes
Weglassen auch wieder eine zweiflechtige Bindung erreicht werden.
Abb. 2: Geflechtsbindungen
Eine Entschärfung kann durch eine Maschinenmodifikation erreicht werden. Mit
zusätzlichen Einschnitten in den Flügelrädern können z.B. vierflechtige Bindungen
erzeugt werden. Dadurch vermindert sich die Ondulation. Fast gänzlich vermieden
werden kann man diese Störgröße mit dem sogenannten UD- oder „no-crimp“
Flechten.
1.3 Vergleich gegenüber anderen Verfahren
Geflechte decken durch Ihre spezifischen Eigenschaften einen begrenzten
Einsatzbereich von Halbzeugkonturen ab. Der Einsatz für Flächenkonturen ist nicht
sinnvoll, hat aber in der Vergangenheit für vermeintlich schlechte Kennwerte
gesorgt. Wirtschaftlich interessant sind grade und räumlich gekrümmte
Linearbauteile. Durch die endkonturnahe Ablage werden die Fasern im
kraftflussgerechten Winkel abgelegt. Nach statischer Auslegung können die
Querschnitte angepasst oder auch zur Integration von Anbauteilen variiert werden.
Bei solchen Bauteilen kommt alternativ nur noch das Wickeln oder der manuelle
Aufbau aus Gewebezuschnitten in Frage.
Das manuelle Aufbauen von Preforms bietet die größte Flexibilität und wird bei
Einzelstücken und Kleinstserien immer eine Berechtigung behalten. Grade diese
Flexibilität und der Faktor Mensch bilden aber auch die größte Störgröße für die
Reproduzierbarkeit der Preforms. Hinzu kommen hohe Kosten durch den hohen
Zeitaufwand für den Materialauftrag und große Verschnittmengen beim Material .
Das Wickeln bietet den Vorteil, dass auch ein Nassauftrag der Fasern möglich ist.
Wobei bei einigen modernen Wickelanlagen der Trend wieder zu Trockenfasern
geht, da mit Nassfasern die Geschwindigkeit nicht weiter gesteigert werden kann. Ist
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die Verlegegeschwindigkeit des Einzelrovings beim Wickeln deutlich höher, so kann
doch mit der Flechtmaschine aufgrund der großen Klöppelzahlen eine deutlich
höhere Materialmenge verarbeitet werden. Mit dem UD Flechten können ähnliche
Flächenstrukturen wie beim Wickeln geschaffen werden, zusätzlich können mit dem
Flechten unterschiedliche bi- oder triaxiale Gewebestrukturen geschaffen werden.
Durch das kontinuierliche Abbinden der Fasern untereinander wird im Schadensfall
eine Delamination örtlich begrenzt und das gefürchtete verdeckte Ausbreiten eines
Schadens verhindert.
1.4 Rolle / Position von Herzog
Die August Herzog Maschinenfabrik baut seit über 150 Jahren Flechtmaschinen und
Flechtereizubehör. Die Maschinen werden weltweit vertrieben und decken mit über
500 unterschiedlichen Maschinentypen alle Bereiche der Flechterei ab. So findet
man zum Beispiel in der Medizintechnik solche feinen Geflechte, dass sie mit dem
bloßen Auge nur noch schwer zu erkennen sind. Soll hingegen eine Ölplattform im
Meer gesichert werden, kann ein geflochtenes Seil mit einem Durchmesser von bis
zu 300 mm eine Last von 2.000 Tonnen und mehr tragen.
Auch wenn Herzog selbst keine Flechtprodukte herstellt, bietet uns das breite
Anwendungsspektrum unserer Kunden einen unfassenden Einblick in die
Flechttechnik. Um eine technische optimale Maschine zu bauen sind wir auf die enge
Zusammenarbeit mit den Nutzern angewiesen.
Gleiches gilt für den relativ jungen Bereich der Preformherstellung für
Faserverbundbauteile. Neben den kommerziellen Nutzern arbeiten wir eng mit
Forschungseinrichtungen, Hochschulen und auch den Garnherstellern zusammen.
Herzog strebt in allen Bereichen der Flechtmaschinenherstellung die weltweite
Technologie- und Marktführerschaft an. Im Bereich der Carbonflechtern haben wir
diese mit vielen Entwicklungen unter Beweis gestellt:
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• Erster kommerziell serientauglicher 3D Flechter für Carbon
• Speziell für Carbon optimierte Klöppel / Garnträger
• Serientaugliche Einführung der 2 ½ D Flechttechnik mit Radialflechtern
• Neuentwicklung von für Carbonfasern optimierten Ablaufgattern und
Spulmaschinen
• Neuentwicklung von Klöppeln zur Direktaufnahme von Carbon
Herstellercopsen
Abb. 3: Radialflechter RF 1/144-100

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Heute findet sich bei allen namhaften Forschungseinrichtungen und Herstellern – die
sich mit den Flechten beschäftigen – Herzog Flechtmaschinen.
2 Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte / Industrialisierung
2.1 Kosten
Überzeugen die Preforms in technischer Hinsicht, so ist für eine Umsetzung in
größerer Serie Kostenneutralität oder noch besser Kosteneinsparung gegenüber
herkömmlichen Produktionsverfahren wirtschaftlich erstrebenswert.
Dabei darf - für eine objektive Betrachtung - nicht nur der einzelne textile
Fertigungsschritt betrachtet werden, sondern es muss der gesamte
Fertigungsprozess bewertet werden. Dies ist eine komplexe und schwierige Aufgabe.
So ist z.B. bei der Umstellung der Seitenleitwerksschalen der Airbus Serie von Metall
auf Faserverbund ein technisch neues Bauteil entstanden. Positiv bei den Kosten
wirkte sich aus, dass die Rippenstrukturen auf der Innenseite integriert sind und nicht
mehr nachträglich gebohrt und vernietet werden müssen.
Als Einzelkomponente im Prozess bietet das Flechten eine hohe
Produktionsgeschwindigkeit und geringen Materialverschnitt, bei kompakten
Maschinenmaßen.
2.2 Höhere Autonomie
Der hohen Produktionsgeschwindigkeit steht negativ gegenüber, daß Flechten kein
Endlosprozess ist. Mit der endlichen Spulengröße ist ein regelmäßiges Wechseln der
Garnträger notwendig. Neben der Stillstandszeit, schlagen hier vor allen die
Personalkosten zu Buche, da der Wechsel von Hand erfolgt.
Der erste Ansatz ist eine Vergrößerung des Spulvolumens. Dazu wurde von Herzog
ein Klöppel entwickelt, mit dem direkt 2 kg Copse verarbeitet werden können. Neben
der höheren Laufzeit, entfallen ebenfalls die Kosten für den sonst üblichen
Umspulprozess. Technisch als Versuchsstand realisiert, fehlen bis heute
Serienprodukte, welche die gestiegenen Investitionskosten rechtfertigen.
Da mit steigender Spulengröße die Flügelraddrehzahl sinkt, ist der zweite Ansatz ein
automatischer Wechsel der Spulen oder Klöppel. Gibt es schon eine Vielzahl von
Ansätzen, rechtfertigen die Investitionskosten bei den heutigen Stückzahlen aber
noch keine Umsetzung. Als Kompromiss bietet sich ein Klöppel mit
Schnellwechselhalter an. Der eigentliche Tausch auf der Maschine erfolgt immer
noch manuell, aber die Stillstandszeit wird deutlich reduziert, da das zeitintensivere
Einfädeln außerhalb der Maschine stattfindet.
Abb. 4: Herzog Schnellwechselsystem
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2.3 Reproduzierbarkeit / Qualitätssicherung
Leichtbau bedeutet auch, dass kein überflüssiges Material zum Einsatz kommt.
Deshalb besteht die Bestrebung, die Sicherheitsfaktoren auf der Materialseite so
klein wie möglich zu halten. Gleichzeitig werden immer mehr Bauteile in Funktionen
eingesetzt, bei denen ein Versagen zu großen menschlichen / finanziellen Schäden
führen kann. Die Sicherstellung von Reproduzierbarkeit und gegebenenfalls
Fehlererkennung nehmen dementsprechend einen großen Anteil bei Serienlösungen
ein.
Die Flechtmaschine hat gegenüber den manuellen Legeverfahren den Vorteil der
Automatisierung. Um das Fehlen einzelner Rovings zu verhindern sind alle
Ablaufstellen mit Einzelfadenüberwachungen ausgestattet. Diese System verhindert
ein Start, falls eine Spule nicht besetzt wurde oder aber stoppt die Maschine bei
Materialende oder Fadenriss. Der Flechtwinkel ergibt sich aus den
Geschwindigkeiten von Flügelrädern und Abzug und gegebenenfalls der Kernform.
Die Programmierung erfolgt in der Regel über eine SPS und kann auf Wunsch mit
fehlersicherer SPS und mit Datenspeicherung zur Dokumentation ausgeführt
werden.
Zur Optimierung der Reproduzierbarkeit, gibt es zwei große Schwerpunkte.
Einerseits die Minderung von Faserschädigung und anderseits die automatische
Erkennung von Fehlern.
Faserschädigung des Garns kann beim Flechtprozess an vier Stellen auftreten.
Größtes Optimierungspotential findet sich beim Umspulvorgang. Ablaufgatter und
Spulmaschine sollten auf die Besonderheiten der Fasern ausgelegt sein. Zweiter
Punkt ist der Klöppel und das Spannungssystem desselben. Im Spannungsfeld
Volumen, Faserschädigung und Kosten, gilt es die größtmöglichen
Fadenführungsradien bei großen Volumen zu realisieren. Weitere Schädigungen
entstehen beim Kontakt der Rovings untereinander. Dieses kann durch geschickte
Anregung der freien Rovings minimiert werden. Zusätzlich ist es erstrebenswert, die
Rovings durch entsprechende Schlichte zu stabilisieren. Letzte Einflüsse kommen
von Umlenkungen, wie Flechtringen, Anpresshilfen oder Kern. Neben
entsprechender Oberflächengestaltung gibt es Ansätze durch Vibration, die Reibung
zu reduzieren. Die Quantifizierung der Faserschädigung online beim Flechten ist
momentan noch nicht realisierbar. Insbesondere die produktionsbedingten
Vibrationen erschweren eine optische Detektion von gebrochenen Filamenten.
Deshalb ist eine saubere Ausgestaltung aller Maschinenkomponenten zwingend
erforderlich.
Weiter Produktionsfehler, wie z.B. Spannungsunterschiede einzelner Klöppel, falsche
Kernposition oder ähnliches, führen zu einer visuellen Abweichung. Die
entsprechende optischen Erkennungstechnik steht für statische Anwendungen in
guter Qualität zur Verfügung. Die aktuellen Forschungsbemühungen richten sich auf
die Umsetzung im laufenden Flechtprozess. Die Herausforderung ist es hier so nah
wie möglich an den Flechtpunkt zu kommen, da ein einmal abgebundener
Flechtfehler nicht zu korrigieren ist. Deshalb ist offen, ob eine solche online
Überwachung zu vertretbaren Kosten zu realisieren ist, oder man günstiger mit
eventuellen Ausschussteilen bei einer Nachprüfung produzieren kann.
2.4 Simulation
Um neue Fertigungsverfahren insbesondere in der Automobilwelt einzuführen, ist
eine Simulation der Bauteile und ihrer Eigenschaften erwünscht. Dies gehört nicht zu
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Herzogs Kompetenzen. Dazu gibt es aber an mehreren Instituten schon
erfolgversprechende Ansätze und Lösungen.
2.5 Flexibilisierung
Eine wiederkehrende Anwenderforderung ist die flexible Produktionseinheit. Eine
Flechtmaschine kann einen bestimmten Garnanzahl und über ihre Ausführung eine
Bandbreite von Garnstärken verarbeiten. Für die Bauteilherstellung sind neben dem
eigentlichen Flechter besonders das Kernhandling und Lösungen für das An- und
Abflechten entscheidend. Zusätzlich können noch andere textile Verfahren integriert
werden und wie im Beispiel EADS IW mit einem zweiten Flechter zu einer
Produktionszelle kombiniert werden. [3]
Abb. 5: Produktionszelle EADS IW Stade mit 2 Radialflechtern RF 1/144-100
Durch den modularen Aufbau können einfach unterschiedliche Bauteilradien
realisiert werden. Je nach Bauteilanforderungen können weitere Fertigungsmodule in
die Zelle aufgenommen werden.
Ein alternatives Konzept ist von der Firma Wesp Mechantronics (www.wesp-bv.com)
entwickelt worden. Basierend auf einer teilbaren Flechtmaschine wird diese mit
einem Roboter über die Kerne geführt. Dadurch entsteht eine äußerst flexible
Fertigungseinheit. Die Flechtköpfe können als ganzes gewechselt werden, was den
einfachen Wechsel von Klöppelzahlen, Materialen und Besetzungen ermöglicht.
Positiver Nebeneffekt ist das die Stillstandszeit der Produktionszelle deutlich
reduziert wird. [4]
Abb. 5: Produktionskonzept WESP Mechatronics BV / teilbarer Flechtrumpf
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2.6 Anwendungsbeispiele
Verglichen mit konventionellen Verfahren ist Flechten ein Nischenprodukt. Die erste
explizit für Carbon Serienteile von Herzog ausgelieferte Flechtmaschine stammt aus
dem Jahr 1991. Hiermit wurden noch bis vor kurzen Samerstangen für den
Flugzeugbau erstellt. Ebenfalls werden seit langen Propellerblätter für Turboprop
Maschinen geflochten. Bekanntestes Beispiel im Automobilbereich sind die BMW M6
Stoßfängerträger, geflochten auf einer Herzog RF 1/144-100. Weitere Anwendungen
sind die Herstellung von faserverstärkten Profilen durch Geflechts-Pultrusion, die
vollautomatisierte Produktion von Fahrradrahmen oder der Einsatz im Segelsport.
3 Ausblick
Bei allen bisherigen Anwendungen handelt es sich bisher um Kleinserien. Dabei ist
der Flechtprozess oft nur ein Teil der Herausforderung. Momentan unternimmt man
insbesondere in der Automobilindustrie große Anstrengungen neue Bauteile /
Fertigungsverfahren serienreif für große Stückzahlen zu machen. Das Flechten ist
bei einigen dieser Konzepte die Grundlage für die Preformherstellung. Die unter
Punkt 2 genannten Aufgaben müssen für jedes Bauteil individuell als Pflicht
erarbeitet werden. Die Kür wird in der Automatisierung von Ansetzen, Abschneiden
und Umkehren der Einzelrovings liegen. Mit Lösung dieser Herausforderung ist dann
die automatische Bestückung einfach zu realisieren.
Zusammenfassung
Das Flechten bietet für spezifische Einsatzgebiete eine kostengünstige und sicher
reproduzierbare Fertigungslösung der Preformherstellung. Hierbei liegt der
Schwerpunkt in linearen Strukturen. Erprobt und schon vielfältig in Kleinserien
eingesetzt, ist der nächste Schritt die Realisierung für Großserien. Dabei stehen das
Handling vor und nach dem Flechten sowie die Kombination mit weiteren textilen
Verfahren im Vordergrund. Die steigende Nachfrage aus dem Bereich Automotive
und Aviation bieten viele interessante Chancen für die Zulieferindustrie.
Literatur
[1] Andreas Geßler, Dr. Jürgen Brandt, Franz Maidl, Christoph Breu, Dr. Janpeter
Horn, Herbert Schneider, Neue Entwicklungen bei der Fertigung von
Kohlenstofffaserpreforms mit der Rundflechttechnik, DGLR Tagung, Deutsche
Gesellschaft für Luft– und Raumfahrt, 2004.
[2] Guido Grave, Flechttechnologie bietet Lösungen für den automatisierten
Leichtbau von morgen: Nichts ist leichter als ein geflochtenes Teil, Industrie
Anzeiger 33/2011, S. 22
[3] Ginger Gardiner, EADS Innovation Works pursues qualification of Braided
Frames for the A350-1000 fuselage and develops Fiber Patch Preforming for
complex local reinforcements, High-Performance Composites, Ausgabe
January 2012 / Vol. 20 / No. 1
[4] Guido Grave, Marc Giebels, Haro van Panhuys, Braid technologies for light
weight structures, Korea Workshop Lehrstuhl für Carbon Composites, München
2011
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