» TECHNIK Rolle-zu-Rolle-Verfahren für „FreePreg“ Maßgeschneiderte Composites werden serienfähig Dass höchstbelastbare Bauteile nicht häufiger aus maßgeschneiderten, leichten Composites hergestellt werden, hat einen einfachen Grund: Durch „Tailored Fibre Placement“ entstehende Preforms sind nicht vorimprägniert und daher sehr viel aufwändiger zu verarbeiten als das Standard-Halbzeug Prepreg. Das Verbundprojekt „FreePreg“ ändert dies und ermöglicht die Serienproduktion von Hightech-Bauteilen. » Dr. Max Schwab, Andreas Bündgens M.Sc., Projektleiter FreePreg am Institut für Textiltechnik ITA, RWTH Aachen Kennzeichnend für Faserverbund-Bauteile, die mit Prepreg als Textil-Halbzeug hergestellt wurden: Sie kennen nur die Verstärkungsrichtungen 0° und 90°. Bei „FreePreg“ sieht es anders aus. Die Ausgangssituation: Hochleistungsbauteile aus Faserverbundwerkstoffen (FVW) entstehen zu einem großen Anteil (45 %) aus vorimprägnierten Halbzeugen. Diese mit Harz vor - imprägnierten Textilien, sogenannte Prepreg (englisch „pre-impregnated“), werden in einem nachgelagerten Schritt rationell zum finalen Bauteil konsolidiert. Weil in den Prepreg klassische Verstärkungstextilien wie Gelege oder Gewebe sowie unidirektional (UD)-verstärkte Bild: ITA Halbzeuge zum Einsatz kommen, fallen bei der Herstellung allerdings große Abfallanteile an. Die Abfälle entstehen insbesondere dadurch, dass hochfeste Verstärkungs fasern (wie Carbon fasern) nur in bestimmten Richtungen vorliegen. So sind bei Geweben zum Beispiel nur Verstärkungsrichtungen von 0° und 90° möglich. Da Prepreg-Verstärkungen sehr teuer und nicht recyclingfähig sind, stößt ihre Verwendung auch deswegen auf Grenzen: Hersteller von FVW-Bauteilen sind auf ein limitiertes Halbzeug- Angebot angewiesen. Maßgeschneiderte Textil- Prepregs sind aktuell nicht im Angebot. Durch Tailored Fibre Placement (TFP) hingegen lassen sich maßgeschneiderte Textil-Halbzeuge (sog. Preforms) herstellen – bislang ohne Vorimprägnierung. Dabei werden die Fasern mittels Stickverfahren in einem beliebigen Winkel flächig auf einem Trägersubstrat fixiert. Der Vorteil: Die Fasern können in Richtung des Kraftflusses und endkonturnah abgelegt werden. Damit lässt sich der Faserabfall auf unter 5 % reduzieren. Ein weiterer Vorteil ist das Verwenden von Carbonfaser-Vliesstoff als Trägersubstrat, der sich wiederum aus Prozessabfällen recyceln lässt. Der Nachteil ist, dass sich die trockene Route der Preforms nicht mit der vor - imprägnierten Route der Prepreg-Halbzeuge kombinieren lässt. Dafür müssten die Preforms mit einem Matrixwerkstoff wie Epoxidharz imprägniert werden. Vollflächiges Imprägnieren der TFP- Halbzeuge inklusive Vliesstoff würde jedoch bedeuten, dass ein hoher Verbrauch an Rohmaterialien anfällt und die Bauteile ein hohes Endgewicht haben. Aktu- 58 Industrieanzeiger » 10 | 2022
Bild: ITA So sieht die Serienfertigung von FreePreg- Einlegern (links) aus, zum Beispiel für das Demo-Bauteil darunter. Dabei handelt es sich um ein Deckenpanel für die Luftfahrt, ein Sandwich-Bauteil mit Free- Preg-Verstärkung. f-cell 2022 4. + 5. Oktober 2022 | Messe Stuttgart Der schärfste Blick auf die Zukunft von Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bild: ITA Die f-cell ist die unverzichtbare Plattform für alle, die sich mit Wasserstoff als Energieträger für eine nachhaltige Zukunft beschäftigen. ell gibt es keine Technologie, TFP-Halbzeuge zu imprägnieren, so dass sie mit den weit verbreiteten Prepreg kombiniert und mit Harz gemeinsam weiterverarbeitet werden könnten. Eine gezielte Imprägnierung von TFP-Strukturen steht derzeit noch aus. FreePreg-Prozesskette für Halbzeuge von der Rolle Das Ziel des Forschungsprojekts „Free- Preg“ ist die Entwicklung einer solchen Prozesskette. Der Lösungsansatz beruht auf dem Einsatz eines Rolle-zu-Rolle- Serienprozesses. Die TFP-Verstärkungsstrukturen werden dabei auf Carbon - faser-Vliesstoff aufgestickt. Der Prozess läuft vollautomatisiert von „Rolle-zu-Rolle“. Bereits heute können ihn aktuelle Industriemaschinen umsetzen. Er sorgt auch für Nachhaltigkeit: Das Carbon faser-Vlies wird zum Beispiel aus Abfällen der Carbonfaser-Produktion hergestellt. Die Stickmaschine arbeitet vollautomatisch und produziert Preforms auf bis zu 11 Stickköpfen parallel. Sobald das eingespannte Vlies komplett bestickt ist mit Preforms, wird das Material vollautomatisch ausgespannt und aufgewickelt. Gleichzeitig wird ein neuer Carbonfaser- Vliesstoff in den Stickrahmen eingespannt und kann bestickt werden. Im nachgelagerten Prozessschritt wird die Rollenware imprägniert. Dies erfolgt durch einen selektiven Transferbeschichtungsprozess – ebenfalls Rolle-zu-Rolle. Beschichtet werden lediglich die Bereiche, an denen TFP-Verstärkungen vorliegen. Diese erstmals vorimprägnierten TFP-Preforms nennen wir „FreePreg“ in Anlehnung an die Prepreg. Sie lassen sich in den Laminat-Aufbau einbringen als in einen für Prepreg-Halbzeuge eingespielten und bewährten Prozess. Daraus resultieren Vorteile durch die Reduktion von Lagen, Gewicht und Prozesskosten. f-cell.de #fcell Treffpunkt der führenden Köpfe der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Community Internationales Netzwerk-Event mit Fachkonferenz & Messe Trends, Ideen und Neuheiten der nachhaltigen Energieversorgung und sauberen Mobilität der Zukunft #fcellaward Jetzt Ticket sichern! Industrieanzeiger » 10 | 2022 59
