Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP)



Das Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) ist eine nationale Forschungseinrichtung des DLR und setzt sich aus dem Standort in Stade und einem weiteren Standort in Augsburg zusammen. Es ist entlang der gesamten Prozesskette für Bauteile aus Faserverbund aufgestellt. Durch Zusammenarbeit der DLR Institute Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik aus Braunschweig, Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung aus Stuttgart, und dem Institut für Robotik und Mechatronik aus Oberpfaffenhofen werden querschnittliche Forschungsaspekte identifiziert und Synergien genutzt, um neue Technologien zu entwickeln. Am DLR-Standort Stade können Wissenschaft und Industrie verstärkt gemeinsam an neuen Verfahren forschen um optimale Produktionstechnologien zu entwickeln. Der Aufbau des Zentrums für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) in Stade wird durch das Land Niedersachsen sowie das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

CFK Nord

ZLP Nord Im Gebäudekomplex des CFK-Nord am Standort Stade


Forschung für die Luft- und Raumfahrt, Automobil und Windkraft

Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) wird als Material unter anderem dazu genutzt Verkehrsflugzeuge der nächsten Generation herzustellen – leichter im Gewicht, sparsamer im Treibstoffverbrauch und freundlicher in der Schadstoff-Bilanz. Ein weiterer, stetig zunehmender Anwendungsbereich sind Karosserie-Bauteile von Automobilen. Auch in der Fertigung von Rotorblättern für Windenergieanlagen werden mittlerweile Komponenten aus CFK gefertigt. Der Bedarf an Leichtbaustrukturen aus CFK ist daher stark gestiegen. Dies macht Produktionsweisen erforderlich, die ökonomisch sind und dabei den besonderen Anforderungen der jeweiligen Branchen entsprechen. Die dabei besonders zu beachtenden Herausforderungen sind:

  • Die wirtschaftliche Bewältigung des Fertigungsaufkommens
  • Die Online-Prozesskontrolle und Sicherstellung der notwendigen Qualität
  • Die produktionstechnische Herstellung faserverbundgerechter Bauweisen

Die Umsetzung des ZLP orientiert sich an diesen Fragestellungen und richtet sich entlang der Prozesskette für CFK-Bauteile aus. Dabei treten immer wieder größenspezifische Probleme auf, welche sich im Labormaßstab nicht oder nur unzureichend nachbilden lassen. Ziel der Forschung in Stade ist es, das aus den anderen Abteilungen der beteiligten Institute erarbeitete Wissen aus dem Labor- in den Industrie-Maßstab umzusetzen und nicht skalierbare Effekte an Bauteilen oder Versuchsständen in Originalgröße zu untersuchen.

Die Abteilung "Verbundprozesstechnologie" des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik am DLR-Standort Stade bearbeitet drei große Themenfelder:


Robotisch basierte und hochproduktive Faserablage-Technologie

Ziel ist die Entwicklung einer Produktionstechnologie zur Herstellung von großflächigen, hochintegralen Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen in automatisierten Fiber-Placement Verfahren. Dazu wurde eine Anlage entwickelt, die auf Basis koordinierter Roboter eine simultane Faserablage ermöglicht und flexibel für Aufgaben der Fertigung einsetzbar ist. Die Anlagentechnik beinhaltet neben den Roboterplattformen eine neue Generation von Fiber-Placement- und Tape-Laying-Köpfen. Damit kann die Ablegerate drastisch gesteigert werden um den Anforderungen zukünftiger Produktions-Szenarien gerecht zu werden. Zudem werden neue Verfahren der Online-Qualitätssicherung integriert, mit deren Hilfe nachgeschaltete, zerstörungsfreie Prüfprozesse zeitlich minimiert werden sollen.


Qualitätsgesicherte Autoklavtechnologie

Autoklaven sind heute und auch auf weitere Sicht integraler Bestandteil der Fertigungskette von CFK-Bauteilen. Die im Autoklaven stattfindenden Prozesse haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Materialeigenschaften und die Bauteilgeometrie. Eine qualitätsgesicherte Fertigung im Autoklaven basiert auf dem grundlegenden Verständnis der Prozesse im Autoklaven. Von daher wurde die Forschungsplattform Autoklav mit umfangreicher Sensorik ausgestattet, die unter Anderem die Temperaturverteilung des gesamten Bauteils sowie die Polymerreaktion erfasst. Herzstück der Anlage ist die „Masterbox“, welche eine bauteilzustandsbezogene dynamische Autoklavsteuerung realisiert. Sie vergleicht einen vorab entworfenen, zeit- und energieeffizienten „Ideal“-Prozess mit dem Zustand des Bauteils im realen Autoklaven und leitet hieraus entsprechende Steuerbefehle für den Autoklaven ab. In Kopplung mit einem Simulationsmodul, dem „Virtuellen Autoklaven“, welches den gesamten Prozessablauf in einem realitätsnahen Modell wiedergibt, ist die „Masterbox“ im Stande parallel zum Prozess die Auswirkungen von Prozessabweichungen vorrausschauend zu berechnen und somit der Trägheit der Autoklavanlage entgegenzuwirken. Mit Hilfe dieser intelligenten und dynamischen Steuerung können die Zykluszeiten und der Energiebedarf von Autoklavprozessen drastisch reduziert werden.
Daten der Forschungsstation Autoklav:

  • Beschickungsdurchmesser: 5,80m
  • Beschickungslänge: 20m
  • max. Betriebsdruck: 10 bar (Schutzgasbetrieb)
  • max. Betriebstemperatur: 420°C


Endkonturnahe Volumenbauteile

Damit Bauteile in großen Stückzahlen aus CFK eingesetzt werden, muss zunächst die Prozesstechnik geschaffen werden. Kurze Prozesszeiten, automatisierte Handhabung, Materialentwicklung stehen in Verbindung mit der Anlagentechnik im Fokus des momentanen Bedarfes. Innerhalb des Projektes endkonturnahe Volumenbauteile werden Fragen bearbeitet, um komplexe Bauteile in Stückzahlen bis zu 100.000 p. a. verfügbar zu machen. Dazu wird eine multifunktionale Technologie-Plattform aufgebaut, welche das Potential besitzt, einen praktischen Anwendungsfall vollständig in den Bereichen Automatisierung und Skalierung der Bauteile zu simulieren. Die Schwerpunkte des Projektes liegen auf:

  1. der vollautomatisierte Fertigungskette für komplexe Faserverbundbauteile,
  2. der Senkung von Fertigungskosten durch Automatisierung,
  3. der Reduktion von Prozesszeiten.

Mittels einer flexiblen Auslegung der Fertigungs-Plattform werden verschiedene Bauteilklassen untersucht, diese sind im Wesentlichen:

  1. flächige 3d-Bauteile mit komplexen Teilstrukturen,
  2. gekrümmte, profilierte Stabträger.

Damit wird ein konkreter Anwendungsbezug zur Luftfahrt aber auch zum Automobilbau hergestellt.


Kontakt
Dipl.-Ing. Felix Kruse
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP)

Tel: +49 531 295-3700

Fax: +49 531 295-3702

E-Mail: felix.kruse@dlr.de
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Downloads zu diesem Artikel
ZLP - Center for Lightweight-Production-Technology Broschure (http://www.dlr.de/fa/Portaldata/17/Resources/dokumente/ZLP_Broschuere.pdf)
GroFi - Large-Scale Parts in Fiber Placement Technology Handout (http://www.dlr.de/fa/Portaldata/17/Resources/dokumente/publikationen/GroFi_Handout.pdf)
OnQA - Online Quality Assurance in Autoclave Processing Handout (http://www.dlr.de/fa/Portaldata/17/Resources/dokumente/publikationen/OnQA_Handout.pdf)
EVo - RTM-Processing for Net Shaped Parts in High Quantities Handout (http://www.dlr.de/fa/Portaldata/17/Resources/dokumente/publikationen/EVo-Handout.pdf)