Neue Technologien der Faserverbundtechnik - WZL · mit orthogonaler Bindung Halbzeugformen: (trockene Textilien oder vorimprägniert) ... E-Modul [GPa] Dehnung [%] Dichte [g/m3] Anzahl

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Neue Technologien der Faserverbundtechnik

Potenzielle zukünftige Anwendungen für

hochdynamische Vorschubsysteme

Dr.-Ing. Michael Emonts

Dipl.-Ing. Henning Janssen

Aachen, den 13.12.2011

Seite 1© WZL/Fraunhofer IPT

Gliederung

Überblick über die Faserverbundtechnik1

Einsatzpotenzial von FVK in Werkzeugmaschinen2

Innovative Produktionsverfahren3

Zukünftige Anwendungen in Werkzeugmaschinen 4


Gründe für den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK)

Mechanische Eigenschaften

Geringe Dichte

Erhöhte Steifigkeit

Erhöhte Festigkeit

Erhöhung der Reißlänge

Verbesserte Sicherheit

Chemische Eigenschaften

Inertheit

Korrosionsbeständigkeit

Chemikalienbeständigkeit

Optische Eigenschaften

Hohe Gestaltungsfreiheit

Leichtbau-potenzial

Langzeit-beständig-keit

Design


Matrix-/ Fasermaterialien und Faserformen

Matrix

Polymere– Duroplast– Thermoplast

Metalle

Keramiken

Glas

Kohlenstoff

Verstärkungsfasern

Kohlenstofffaser

Glasfaser

Aramidfaser

Borfaser

Keramikfaser

Kurz-/ Langfasern

Nicht orientiert Orientiert

Endlosfasern

Nicht orientiert Orientiert


Halbzeuge und FaserarchitekturenEigenschaften von Faserverbund-bauteilen sind abhängig von:

Faser- und Matrixwerkstoff

Faserausrichtung

Faservolumengehalt

Anzahl der Faserlagen

Grundregeln für die Bauteilauslegung

Hoher Faservolumenanteil

Fasern in Richtung der angreifenden Last

Möglichst symmetrischer Laminataufbau

Großflächige Krafteinleitung

Unidirektionale Gelege

Biaxiales Gewebe

GestrickMultiaxiales Gewebe

3-dimensionales Geflecht

3-dimensionales Gewebe mit orthogonaler Bindung

Halbzeugformen: (trockene Textilien oder vorimprägniert)


Unterscheidung der Matrixsysteme

[Quelle: www.seilnacht.com 12/06]

Duroplast Thermoplast

Räumlich vernetzt amorph teilkristallin


Mechanische Eigenschaften von KohlenstofffasernKohlenstofffaser

Struktur der Kohlenstofffaser

Faserrichtung

starke kovalente Bindung

schwache van der Waals´sche Bindung

Min. Dichte: 1,74 g/cm³

E-Modul: 230 – 630 GPa

Max. Rm: 2,7 – 4,9 GPa

Bruchdehnung: 0,5 – 2,4 %

Preisspanne: 20 – 2000 €/kg

ETheoret. II = 1050 GPa

ETheoret. T = 36 GPa

RM, theoret. II = 100 GPa

Zugf

estig

keit

[GPa

]

E-Modul [GPa]

100 200 300 400 500 600 700

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0T1000

T800

T300M65J

M40J

M55J

M50M40

Hochmodul-Fasern (HM)

Hochfeste Fasern (HT)

T700

StahlTitan1,0

Quelle: Toray


Übersicht über verschiedene KohlenstofffasernFasertyp Zugfestigkeit

[MPa]

E-Modul

[GPa]

Dehnung

[%]

Dichte

[g/m3]

Anzahl der

Filamente

Preis

[€/kg]

T7004900 230 2.1 1,80 12000

2400020

T800S 5880 294 2 1,80 24000 70

M40J 4400 392 1.2 1,77 6000

12000

170

90

M46J 4200

4020436

1.0

0.91,84

6000

12000

280

200

M55J 4020 540 0.8 1,91 6000 > 550

M60J 3820 588 0.7 1.93 3000

6000

> 2000

Quelle: Soficar-Carbon, TORAY: Stand: August 2011


Derzeit eingesetzte FVK-Herstellungsverfahren Einsatz von duroplastischen Harzen

– Zeitintensive chemische Vernetzung– Energieintensive Aushärtung im Autoklaven oder Ofen– Verschmutzung der Produktionsanlagen und der Umwelt– Niedriger Automatisierungsgrad– Intensive Nutzung von Lösungsmitteln– Geringe Schadenstoleranz– Schlechte Rezyklierbarkeit– Hohe Lagerhaltungskosten

Einsatz von Verstärkungsfasern in Form von Geweben/ Gelegen

– Verringerte Steifigkeit und Festigkeit aufgrund von Faserwellung

– Begrenzte Formbarkeit

Fasertränkung bei komplexen Bauteilen– Fehlerintensiv– Komplexe und rechenintensive Simulation

Hohe Produktionskosten


Gliederung






z. B.: Maschinengestell

z. B.: Vorschubschlitten z. B.: Hauptspindel

z. B.: Spindelkasten

Bearbeitungs-zentrum

Fräs-maschine

Dreh-maschine

Schleif-maschine

SpanendeWerkzeugmaschinen

MechanischeFunktionselemente

BeurteilungskriterienGeometrischeAnforderung

Kine-matische

Anforderung StatischeBelastung

Ther-mischeBelastung

Dyna-mischesVerhalten

AkustischesVerhalten

Beanspruchung mechanischer Funktionselemente spanender Werkzeugmaschinen

Quelle: Weck


F

k c

xm

Einflussparameter

Masse m

Steifigkeit k

Dämpfung c

Fx

max

km

c1

Re{x/F}Im{x/F}

Original System

(m, c, k)

m*=0,5m

k*=2k

c*=2c

Geringe Masse:

– Verringerte Antriebsleistung (leichtere, kostengünstigere und kleinere Antriebe, geringerer Energieverbrauch)

– Höhere Dynamik bzw. Beschleunigung

– Höhere Drehzahlen aufgrund geringerer Zentrifugalkräfte

– Höhere Eigenfrequenzen der Maschinenkomponenten

– Geringeres Maschinengesamtgewicht (Transport)

Höhere Steifigkeit

– Höhere Bearbeitungspräzision (geometrisch)

– Höhere Eigenfrequenzen der Maschinenkomponenten

Höhere Dämpfung

– Verbesserte Bearbeitungsqualitäten/ Oberflächenqualität

– Reduktion von Rattermarken/ Vibrationen

Anforderungen an dynamisch beanspruchte Maschinen-Komponenten

Faserverbundkunststoffe kombinieren geringe Masse mit hoher Steifigkeit und

Dämpfung und sind damit ein idealer Werkstoff für dynamisch beanspruchte

Maschinen-Komponenten


Stand der Technik Stand der Forschung und Entwicklung

(Ergebnisse aus öffentlich geförderten Projekten)

– CFK-Linearachse

– CFK-Linearschlitten

– CFK-Spindel

– CFK-Spindelgehäuse

Industrielle Anwendungen

– CFK-Armierung für High-Speed Synchronmotoren (e+a)

– CFK-Roboterachsen (Kuka)

– CFK-Fräsportal (EEW Maschinenbau GmbH)

– CFK-Rollen in Druckmaschinen (Heidelberger Druckmaschinen)

– CFK-Spannmittel (Hainbuch)

– CFK-Handlingsysteme

Quelle: e+a, EEW, Kuka

CFK-LinearschlittenCFK-Linearachse

CFK-Rotor

CFK-FräsportalCFK-Roboterachse

CFK-Spindel


Performancevergleich von Werkzeugmaschinenkomponenten aus Stahl und CFK

0 60 120 180 240 300 360-10

0

10

20

30

0

2500

5000

Zeit t [ min ]

Ve

rla

ge

run

g

z [

m

]

Dre

hza

hl

n [

min

]-1

Verlagerung bei konstanter Drehzahl

CFK

Stahl

0 60 120 180 240 300 360-10

0

10

20

30

0

2500

5000

Zeit t [ min ]

Ve

rla

ge

run

g

z [

m

]

Dre

hza

hl

n [

min

]-1

Verlagerung bei intermittierender Drehzahl

CFK

Stahl

Deutliche Reduzierung der thermischen Verlagerung des Kegeladapters durch Ausnutzung des negativen Temperaturausdehnungs-koeffizienten von Kohlenstofffasern

Erhöhung der Dynamik durch Reduzierung der bewegten Masse

Erhöhung der Steifigkeit und Dämpfung durch Verwendung hochsteifer Fasern (HM= High Modulus)

Quelle: Fraunhofer IPT


Anwendungsfelder im WerkzeugmaschinenbauNutzbarkeit der Eigenschaften von FVK

Vorteile für Werkzeugmaschinen

Höhere erreichbare Achsdynamik

Verwendung kleinerer Antriebs-motoren und Führungselemente

Energieeinsparung

Leichtbau Thermostabilität

Vorteile für Werkzeugmaschinen

Steigerung der Produktivität durch höhere Prozessqualität

Steigerung der Maschinen-genauigkeit

FVK bieten hohe Einsatzpotenziale in Werkzeugmaschinen

Dem hohen Einsatzpotenzial von FVK stehen einige Restriktionen entgegen:

Berechnungsintensive Auslegung der Bauteile

Aufwändige und schlecht automatisierbare Herstellungsverfahren, die zu geringer Reproduzierbarkeit und hohen Produktionskosten führen


Gliederung






Materialbestimmung: Auswahl des Matrixwerkstoffes

Die Kraftleitung im Bauteil erfolgt hauptsächlich durch die Fasern. Jedoch beeinflusst die Auswahl des Matrixwerkstoff die Bauteileigenschaften erheblich.

Der Matrixwerkstoff hat u.a. Einfluss auf:– chemische Beständigkeit des Bauteils– zulässige Einsatztemperatur des Bauteils– Rissausbreitungsverhalten / Impactverhalten– den Verarbeitungsprozess

Industriell verbreitete FVK-Matrix-Systeme sind:– Duroplaste (z. B. Epoxidharz)– Thermoplaste amorph (z. B. Polyetherimid (PEI)) teilkristallin ( z. B. Polyamdid (PA))


Quelle:[IKB05], [Neitzel06], [ILB09]

Rissausbreitungsverhalten / Impactverhalten:

Duroplaste

- sprödes Materialverhalten

- geringe Duktilität

- schlechte Schadensdetektierbarkeit

- großflächige Delamination bei stoßartigen Belastungen

- geringe Restdruckfestigkeit (CAI)

Thermoplaste

- schlagzäh (besonders teilkristalline Thermoplasten)

- hohe Duktilität

- geringe Delaminationsneigung

- hohe Restdruckfestigkeit (CAI)

Vergleich von duro- und thermoplastischen Matrixwerkstoffen

Compression after impact Test (CAI)


Vergleich duroplastischer und thermoplastischer Matrixsysteme

Schlagzähigkeit (DIN 53456) [kJ/m2]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

HDPE

PA11

PEEK

PP

EP

PF

MF

UPUP

MF

PF

EP

PP

PEEK

PA11

HDPE

Kerbschlagzähigkeit [kJ/m2]

100 403020 ohne Bruch0 2 4 6 8 10 12

HDPE

PA11

PEEK

PP

EP

PF

MF

UPUP

MF

PF

EP

PP

PEEK

PA11

2 4 6 8 ohne Bruch

Polypropylen

Polyamid 11

HDPE

Polyetheretherketon

Polyethylen hoher Dichte

Epoxidharz-Formmasse

Phenol/Formaldehyd-Formmasse

Melanin/Formaldehyd-Formmasse

Ungesättigtes Polyesterharz-Formmasse 2,5 €/kg ; ρ = 2 g/cm3

8 €/kg ; ρ = 1,4 g/cm3

6 €/kg ; ρ = 1,9 g/cm3

1,5 €/kg ; ρ = 0,9 g/cm3

50 €/kg ; ρ = 1,32 g/cm3

5 €/kg ; ρ = 1,04 g/cm3

1,35 €/kg ; ρ = 0,96 g/cm3

Deutlich höhere Schlag- und Kerbschlagzähigkeiten von Thermoplasten bei gleichzeitig geringerer Dichte und Kosten im Vergleich zu Duroplasten

Steigerung der passiven Sicherheit bei gleichzeitig verringerten Gewicht und Kosten ist durch den Einsatz von Thermoplasten möglich

Duroplaste

Thermoplaste6,5 €/kg ; ρ = 1,5 g/cm3

ρ = Rohdichte nach DIN 53479Quelle: Domininghaus, D.: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, Springer Verlag, 1998


Vor- und Nachteile von thermoplastischen Polymermatrixsystemen

Vorteile von Thermoplasten Nachteile von Thermoplasten Kurze Verarbeitungszykluszeit

Wiederverwertbarkeit

Gutes Druck-, Stauch- und Knickverhalten

Unbegrenzte Lagerbarkeit bei Raumtemperatur

Hohe Bruchdehnung

Hohe Schadenstoleranz

Hohe Schlagzähigkeit

Hohe Dämpfung

Hoher Delaminationswiderstand

Schweißbarkeit

Gute Medienbeständigkeit

Nicht toxisch

Schwer Entflammbar*

Geringe Wasseraufnahme*

Hoher Vorrichtungsaufwand zur Verarbeitung

Kriechneigung

Schwierige Imprägnierung aufgrund hoher Schmelzviskosität

Schwierige Handhabung bei der Verarbeitung

* Nur bei Hochleistungsthermoplasten

* Michaeli89, Neitzel04, Femming99


Einsatzpotenzial von thermoplastischen FVK in Werkzeugmaschinen Mechanische Eigenschaften:

– Hohe Steifigkeit

– Hohe Festigkeit

– Sehr hohe Dämpfung

– Sehr gutes Impactverhalten (z. B. Spanflug)

Thermische und chemische Eigenschaften:

– Hohe chemische Beständigkeit (z. B. Kühlschmierstoff): z. B. PEEK, PEKK, PPS, PA12

– Gute Temperaturbeständigkeit: z. B. PEEK: TS>340°C

Funktionale Eigenschaften:

– Einfache Funktionalisierung durch Schweißbarkeit: z. B. Beschichtung mit Folien,

Krafteinleitungselemente

Thermoplastische FVK erfüllen die Anforderungen und besitzen ein hohes Potenzial für den Einsatz in Werkzeugmaschinen. Die Herausforderung liegt in der Entwicklung automatisierbarer und wirtschaftlicher Produktionsverfahren.


*Länge nur begrenzt durch Abmaße des Bauteils

Kurzfasern Langfasern

Kontinuierliche Fasern*(Endlosfilamente)

TextilGewebe Gelege

0.1mm – 1mm 1mm – 50mm

Vollkonsolidierte undirektionale (UD) Schichten

schematisch

real

Kritische Faserkrümmung

Kritischer Wirkfaden

Stapelung Herstellung Prozess

Leistungssteigerung von

unidirektionalen zu

gewebeverstärkten

Blechstrukturen:

E-Modul: + 18,4%

Festigkeit: + 38,6%

Gewicht: - 50%

Verschnitt: - 50% bis - 75%

Bauteilkosten: -30%

Vorteil von unidirektionalem (UD) Lagenaufbau


Vorteile der UD-Faseranordnung für das Umformen

Beste mechanische Eigenschaften bei

geringer Wandstärke

UnidirektionaleEndlosfaserverstärkung

Ressourcen- undEnergieeffizienz

Reduzierung derZykluszeit

tZyklus ~ s2Wand

EnergieeinsparungQWärme ~ sWand

Relative Faserlänge

Mec

han

isch

e E

igen

sch

afte

n

Umformen (niedriger Druck)

Fließpressen (hoher Druck)

Spritzgießen

Quelle: Bond Laminates


Anisotropie der mechanische Eigenschaften von CFK-Laminaten

unidirektionales Laminat

ausgeglichener Winkelverbund

Que

rkon

trak

tions

zahl

v

Ela

stiz

itäts

mod

ul E

Sch

ubm

odul

G

[Gpa]

Fasern müssen in Lastrichtung orientiert sein damit höchste spezifische Festigkeiten des Bauteils erzielt werden können

90° Winkel

- Radiale Festigkeit

- Torsionsfestigkeit

-Schubfestigkeit

-Torsionsfestigkeit

± 45° Winkel 0° Winkel

- Axiale Festigkeit

(Zug/Druck)

Quelle: Weck


Vorteilhafte verfahrenstechnische

Eigenschaften

– Verkürzung der Prozesskette und

Durchlaufzeit

Kein Warmaushärtungsprozess

im Autoklaven erforderlich

Keine Kühlung der Halbzeuge

erforderlich

– Vollautomatisierbarer Prozess

Erzielbare Laminateigenschaften

– Belastungsoptimierte und

ondulationsfreie Faserausrichtung

– Hohe Faservolumengehalte von

über 60 Prozent

Vorteilhafte

Thermoplasteigenschaften

– Gute Recyclebarkeit

– Hoher Delaminationswiderstand

– Schadenstolerantes Verhalten

– Hohe Medienbeständigkeit

Potenziale des Thermoplast-TapelegeverfahrensSeitenansicht

Draufsicht

Konsolidierungs-

rolle

Laminat

Laminat

Konsolidierungsrolle

Tape

Werkzeugform

Werkzeugform

Laminat

Tapelegekopf

Positionierer (Roboter)

Realansicht


Produktionssysteme zum laserunterstützten Tapelegen/ -wickelnMono-Tapelegekopf Multi-Tapelegekopf

Werkzeugform

Laminate

Laserquelle

CAD-Modell

1,20 m

Materialbevorratung

Werkzeug-

form

Laminat

Laseroptik und

Temperatur-

erfassung

Konsolidierungsrolle

Laserstrahl

Konsolidierungs-

rolle

Material-bevorratung


Gliederung






Aktuelle ForschungsansätzeMögliche zukünftige Anwendungen in Werkzeugmaschinen

Hybridisierung:

Herstellung hybrider Bauteilen unter

optimaler Ausnutzung der

Materialeigenschaften

Forschungsschwerpunkt Mögliche Anwendung

Aufbau thermostabiler Achsen

und Vorschubantriebe

Gewichtsreduzierung durch

bessere Materialausnutzung

Funktionalisierung:

Fasergerechte Funktionsintegration,

z. B. Kraftein- und ausleitung

„Smart Composites“:

– Sensorintegration

– Aktuatorintegration

(z.B. Piezofolien)

– Self-Healing Composites

Optimale Anbindung und

Integration der FVK-Bauteile an

die bestehenden

Maschinenkomponenten

Integrierte Condition-Monitoring-

Systeme zur Prozess- und

Bauteilüberwachung

Aktive Schwingungsdämpfung der

Vorschubachsen


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