MAI Sandwich – Entwicklung von thermoplastisch fügbaren Sandwichstrukturen unter Berücksichtigung eines sortenreinen und wiederverwertbaren Werkstoffeinsatzes
Extremleichtbau durch neue Sandwichstrukturen
Projektpartner
Airbus Defence and Space GmbH, BASF SE, BMW AG, Foldcore GmbH, Neenah Gessner GmbH, Neue Materialien Bayreuth GmbH, SGL Carbon GmbH, Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH
Laufzeit
01.01.2015 – 30.06.2017
Fördergeber
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Motivation
Sandwichstrukturen sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen Leichtbaus. Sie bestehen aus einer leichten Kernstruktur, die beidseitig mit einer Decklage versehen ist, wobei die Kernwerkstoffe beispielsweise Hartschäume, Honigwaben, thermoplastische Formkörper oder Noppenwaben sein können. Als Decklagen können u. a. mit Harz imprägnierte Gewebe oder andere Trägermaterialien (sogenannte Prepregs) verwendet werden. Neben den Vorteilen von Sandwichstrukturen wie hohe Biege- und Beulsteifigkeiten ist die Herstellung der Sandwichstrukturen bis heute jedoch noch äußerst zeit- und kostenintensiv. Zudem erfordert die notwendige Integration von Funktionselementen, wie beispielsweise Inserts oder Krafteinleitungselemente aufwendige Prozessschritte. Daher gelang den Sandwichstrukturen der Durchbruch für Massenartikel bisher noch nicht. Ziel des Vorhabens MAI Sandwich war es daher, neuartige und kostengünstige Fertigungsverfahren zur Herstellung von gewichtsoptimierten neuen Sandwichstrukturen mit hoher Funktionsintegration für den Einsatz im Automobil und in Luftfahrtzeugen zu entwickeln. Die neuen Sandwichstrukturen sollten dabei sowohl aus einem neuen Kernmaterial als auch aus neuen CFK-basierten Deckschichten unter Einsatz von recycelten Carbonfasern hergestellt werden. Zur Realisierung der Projektziele wurden innerhalb des Vorhabens drei verschiedene Prozessrouten unter besonderer Berücksichtigung eines sortenreinen und wiederverwertbaren Werkstoffeinsatzes untersucht, die im Ergebnis zu unterschiedlichen Sandwichmaterialien führen sollten.
Vorgehen
Das Projekt adressierte verschiedene Prozessrouten, wobei jede ein anderes Kernsystem als Fokus hatte. Je nach Anwendungsschwerpunkt, Luftfahrt oder Automobil, kamen entweder Hochleistungsthermoplaste (PEEK, PEI, PESU) oder technische Thermoplaste (PP, PA6) zum Einsatz. Zudem war das Projekt in drei Bereiche aufgeteilt: Die Entwicklung von Kernsystemen, der Deckschichten sowie der Entwicklung eines Gesamtprozesses zur automatisierten Herstellung der thermoplastischen Sandwichstrukturen in industrienahen Taktzyklen mit Schwerpunkt auf dem Fügen der verschiedenen Schichten. Diese Ergebnisse führten zu der Fertigung eines dreidimensionalen, thermoplastischen Sandwich-Demonstratorbauteils, welches neben einem innovativen Kernsystem an den Rändern angespritzt sowie durch ein Rippenfeld lokal versteift wurde. Hierzu wurden die oben genannten Thermoplaste verwendet und somit ein großer Temperaturbereich für die Erwärmung der Thermoplaste abgebildet. Für den Fertigungsaspekt ist wesentlich die prognostizierte kurze Zykluszeit von ca. 2 Minuten (Automotive) und unter 5 Minuten (Luftfahrt) in Kombination mit einem so hohen Komplexitätsgrad. Dies erfolgte bei minimalem Verschnitt, ohne mechanische Vorarbeit der Kernmaterialien (insbesondere Schaumroute) auf einer Anlage und stellt somit einen Meilenstein im Hinblick auf eine kostengünstige Sandwich-Bauteilherstellung dar. Für diese Leistung erhielten die Mitglieder des MAI Sandwich Konsortiums den JEC Innovation Award 2018 in der Kategorie Aerospace Process. Die im Projekt MAI Sandwich erzielten Ergebnisse hinsichtlich Fertigungskonzept und die mit diesem für den Demonstrator ableitbaren Zykluszeiten für einen Serienprozess stellen einen wirtschaftlich hochinteressanten Ansatz für Sandwichbauteile in der Automobilindustrie und erst recht in der Luftfahrtindustrie dar. Für alle anderen Sandwich-Anwendungen unabhängig von der Branche, wie beispielsweise auch im Maschinen- und Anlagenbau, gilt dies gleichermaßen. Daher ist zu erwarten, dass dieses Forschungsvorhaben den wirtschaftlichen und technologischen Durchbruch bei der Akzeptanz von Faserverbundbauteilen in Strukturanwendungen unterstützt.
Danksagung
Der Lehrstuhl bedankt sich für die Förderung des Projektes „Entwicklung von thermoplastisch fügbaren Sandwichstrukturen unter Berücksichtigung eines sortenreinen und wiederverwertbaren Werkstoffeinsatzes – MAI Sandwich“, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über den Spitzencluster MAI Carbon gewährt wurde (Förderkennzeichen: 03MAI32X).
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Kalle Kind; Dr.-Ing. Swen Zaremba
Abschlussbericht
Externer Link (pdf)