Optionen zur Steigerung der Fertigungseffizienz bei Faserverbundstrukturen

Kurzfassung

Abstract: Optionen zur Steigerung der Fertigungseffizienz bei Faserverbundstrukturen Zur Beurteilung der Fertigungseffizienz von Herstellungsprozessen für Faserverbundbauteile ist das Produktionsszenario von entscheidender Bedeutung. Insbesondere ist die anvisierte Produktionsrate maßgebend, da sie die anzustrebende Balance aus wiederkehrenden Kosten (Recurring Costs) und nicht wiederkehrenden Kosten (Non Recurring Costs) bestimmt. Bei einer sehr hohen Produktionsrate gilt es, eine spezifisch optimal angepasste und hoch automatisierte Produktionsumgebung zu schaffen, bei der Aspekte wie Fehlproduktion, Abfall oder auch Energiekosten dominieren. Bei sehr niedrigen Produktionsraten werden dagegen die Investitionskosten z.B. für Formwerkzeuge häufig zu einem dominierenden Faktor, während sich eine möglichst vielfältig nutzbare, einfach zu modifizierende Anlagentechnik anbietet. Der Aspekt der Fehlproduktionsrate ist allerdings auch bei niedrigen Produktionsraten oftmals entscheidend für den Erfolg des Fertigungskonzeptes. Im Rahmen des Stader Zentrums für Leichtbauproduktionstechnologie wurden für beide Szenarien Forschungsplattformen aufgebaut, an denen die Möglichkeiten und Grenzen der jeweiligen Ansätze untersucht werden. Die für hohe Produktionsraten ausgelegte EVo-Plattform (Endkonturnahe Volumenbauteile) baut dabei auf einer bauteilspezifischen, vollautomatisierten RTM Prozessstrecke auf, während die auf Großbauteile mit niedriger Produktionsrate optimierten Plattformen GroFi (Großbauteile in Fibre Placement) und OnQA (Online QS im Autolkaven) auf maximale Flexibilität ausgelegt sind. Ein Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten ist bei allen drei Plattformen die Entwicklung geeigneter Sensoren die neben der Überwachung des Prozesses auch eine Korrektur der Fertigungsparameter erlauben, sofern diese zur Stabilisierung des Prozesses beitragen können. Neben der Produktionsrate ist auch der strukturelle Integrationsgrad bei der Beurteilung der Fertigungseffizienz von ausschlaggebender Bedeutung. Eine Untergliederung der Zielkomponente in sehr viele, einfach zu fertigende Subkomponenten wirkt sich positiv auf das Fertigungsrisiko aus, generiert aber im Gegenzug einen erheblichen Aufwand bei der Montage. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass Bauteildeformationen im Verlauf der Fertigung die Maßhaltigkeit von Faserverbundstrukturen negativ beeinflussen können. Darüber hinaus reduzieren mechanische Fügungen (z.B. Verbolzen) das Leichtbaupotential und erhöhen das Beschädigungsrisiko durch die Bearbeitung. Eine Verklebungen oder Verschweißung (bei thermoplastischen Matrices) ist möglich, bedeutet aber immer, dass Faserlasten über eine festigkeits¬begrenzende Polymer¬¬zwischenschicht übertragen werden müssen. Bei hochintegralen Faserverbundbauteilen entscheidet die Prozesssicherheit des Produktionskonzeptes über die Konkurrenzfähigkeit des Fertigungsansatzes. Der Schlüssel zum Erfolg ist hier zumeist das Formwerkzeugkonzept, das den Komplexitätsgrad abbilden muss und für die Prozesssicherheit und die Reproduzierbarkeit entscheidend ist. Darüber hinaus ist das Risiko einer Fehlinvestition ein nicht zu unterschätzender Achtungspunkt, wenn das entwickelte Konzept nicht den gewünschten Erfolg bringt oder aber die Herstellung des Formwerkzeuges zeitlich aus dem Ruder läuft. Am Beispiel der Herstellung eines vollintegralen Flügelschalenabschnittes mit integrierten Stringern und Rippenanschlüssen nach dem „Shoe Box“ Prinzip zeigt sich, mit welchem Aufwand bei der Herstellung von hochintegralen Bauteilen zu rechnen ist. Bei Betrachtung des mit diesem Ansatz verbunden Einsparungspotentials in der Montage zeigt sich allerdings auch, dass Faserverbundbauteile durchaus eine konkurrenzfähige Alternative sein können. Letztendlich steht auch bei diesem Forschungsvorhaben die Prozessstabilisierung über formwerkzeugintegrierte Sensoren und geeignete aktive Prozesskontrollmaßnahmen im Vordergrund, die im Wesentlichen das Temperaturmanagement optimieren.