15. Juni 2015

DLR er­forscht mit neu­er Ta­pe­le­ge­ma­schi­ne Fer­ti­gungs­pro­zes­se für Bau­tei­le aus Hoch­leis­tungs­kunst­stof­fen

Der Ta­pe­le­ger baut Schicht für Schicht Struk­tu­ren aus Hoch­leis­tungs­kunst­stof­fen auf
Bild 1/4, Credit: DLR/FrankEppler.

Der Tapeleger baut Schicht für Schicht Strukturen aus Hochleistungskunststoffen auf

DLR-Tech­ni­ker Kars­ten Rei­fe­gers­te nimmt ei­ne Fe­in­jus­ta­ge vor, be­vor der Ta­pe­le­ger an die Ar­beit geht
Aus bis zu 25 Mil­li­me­ter brei­tem Ta­pe baut der Ro­bo­ter­kopf die Struk­tur auf
Bild 2/4, Credit: DLR/FrankEppler.

Aus bis zu 25 Millimeter breitem Tape baut der Roboterkopf die Struktur auf

Am Ro­bo­ter­kopf wird das Ma­te­ri­al­band ab­ge­wi­ckelt und mit­tels La­ser auf die be­nö­tig­te Tem­pe­ra­tur ge­bracht, um in die Form ab­ge­legt zu wer­den
Schicht für Schicht legt der Kopf am Ro­bo­ter­arm das Ta­pe in die ge­wünsch­te Form ab
Bild 3/4, Credit: DLR/FrankEppler.

Schicht für Schicht legt der Kopf am Roboterarm das Tape in die gewünschte Form ab

Ein spe­zi­el­ler Kopf, der am En­de des Ro­bo­ter­arms sitzt, legt das Ta­pe aus koh­len­stoff­fa­ser­ver­stärk­tem Kunst­stoff auf der Form ab
Ein­wei­hung des Ta­pe­le­gers am 12. Ju­ni 2015
Bild 4/4, Credit: DLR/FrankEppler.

Einweihung des Tapelegers am 12. Juni 2015

Der Ta­pe­le­ger des DLR-In­sti­tuts für Bau­wei­sen und Struk­tur­tech­no­lo­gie wur­de am 12. Ju­ni 2015 mit ei­nem wis­sen­schaft­li­chen Kol­lo­qui­um ein­ge­weiht (von links nach rechts: Bernd Räckers (Air­bus Deutsch­land), Dr. Wolf­gang Du­den­hau­sen (DLR), Mi­nis­te­ri­al­di­ri­gent Gün­ther Leß­ner­kraus (Mi­nis­te­ri­um für Fi­nan­zen und Wirt­schaft Ba­den-Würt­tem­berg), Prof. Dr. Heinz Vog­gen­rei­ter (DLR), Coert Kok (AF­PT), Se­bas­ti­an No­wot­ny (DLR), Dr. Pa­trick Köl­zer (AF­PT)

Ob für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbereich – extrem leichte und gleichzeitig sehr schadenstolerante Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen sind von großem Interesse für die Industrie. Mit Hilfe einer neuen, hochmodernen Anlage erforscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart nun Verfahren, wie die Herstellung solcher Strukturen automatisiert und damit effizienter gestaltet werden kann.

Schicht für Schicht zum Hightech-Bauteil

Die rund 2,2 Millionen Euro teure Anlage besteht aus einem Roboter auf einer Linearachse, einer rotierenden Drehachse und einem Drehschwenktisch. Am Ende des Roboterarms sitzt ein spezieller Kopf, der ein Materialband aus faserverstärktem Kunststoff auf einer Form ablegt und so Schicht für Schicht das gewünschte Bauteil aufbaut. Die Form ist auf dem Drehschwenktisch befestigt und gibt die Endkontur der Struktur vor. Das Materialband, das sogenannte Tape, hat eine Breite von sechs bis 25 Millimetern und besteht aus einem kohlenstofffaserverstärkten Thermoplast, einer speziellen Art von Kunststoff, die für eine bessere Steifig- und Festigkeit mit Kohlenstofffasern versehen ist. Thermoplaste lassen sich unter Wärmeeinwirkung umformen und sind zudem schweißbar. Mit Hilfe eines Lasers wird das Tape unmittelbar vor dem Ablegen aufgeschmolzen und erkaltet dann in der gewünschten Form. Dafür sind lokal Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius notwendig.

Thermoplastische Werkstoffe: neue Möglichkeiten für Bauteilgestaltung

"Die vorteilhaften Eigenschaften von Thermoplasten eröffnen ein enormes Potenzial für neue Bauweisen, Fertigungs- und Produktionstechnologien. Wir können mit ihnen zum Beispiel Bauteile fertigen, die mit metallischen Werkstoffen bisher nicht möglich waren", erklärt Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen, der die Abteilung Bauteilgestaltung und Fertigungstechnologien des DLR-Instituts für Bauweisen und Strukturtechnologie leitet. "Als erstes Projekt wollen wir mit unserem Tapeleger ein spezielles Triebwerksblatt herstellen, das sich durch eine wesentlich höhere Schadenstoleranz auszeichnet und gleichzeitig um bis zu zwei Drittel leichter ist als vergleichbare Strukturen aus Titanmetall."

Anders als im Metallbau, wo ein Bauteil oft aus einem größeren Materialblock herausgearbeitet wird, handelt es sich beim Tapelegen um ein additives Verfahren. Das heißt, es wird nur dort Material abgelegt, wo es auch benötigt wird. "Wir sind beispielsweise in der Lage, eine verstärkende Schicht genau dort anzubringen, wo sie aufgrund der speziellen Krafteinwirkungen auf das Bauteil auch wirklich gebraucht wird. Sprich wir können gezielt entsprechend den Lastprofilen arbeiten, produzieren weniger Abfall und arbeiten so möglichst ressourceneffizient", beschreibt Wolfgang Dudenhausen weitere Vorteile des Tapelegens.

Die Laserschutzzelle, in welcher der Roboterarm arbeitet, hat eine Länge von 5,5 Metern und eine Breite von 4,6 Metern. In ihr können Bauteile mit einer Länge von bis zu 3,6 Metern und einem Durchmesser von 1,8 Metern sowie einem Gewicht von bis zu 2.000 Kilogramm gefertigt und bearbeitet werden.

Know-how für den Schritt vom Prototyp zur Serienfertigung

"Viele Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen werden immer noch zu einem großen Teil von Hand hergestellt", erklärt Dudenhausen. "Mit dem neuen Tapeleger erschließen wir einerseits das Potenzial von Thermoplasten, die aufgrund der erforderlichen hohen Prozesstemperaturen eine besondere Herausforderung bei der Fertigung darstellen. Andererseits erforschen wir, wie sich thermoplastische Bauteile automatisiert herstellen lassen. Wichtige Kriterien sind dabei neben der Wirtschaftlichkeit auch die hohe Präzision und Wiederholbarkeit der Herstellungsprozesse." Um dies zu erreichen, ermitteln die DLR-Forscher wichtige Parameter wie die Geschwindigkeit, mit der das Tape am besten abgelegt wird, die optimale Temperatur des Tapes sowie die Verweildauer des Roboterarms. Ziel ist es, Prototypen herzustellen und die dafür notwendigen Prozesse maschinell zu beschreiben, um mit diesem Wissen in Zukunft eine industrielle Produktion zu ermöglichen.

Die Tapelegemaschine für thermoplastische Strukturen beim DLR-In­sti­tut für Bau­wei­sen und Struk­tur­tech­no­lo­giewurde gefördert durch das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württembergüber RWB-EFRE "Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung" – Teil EFRE, Strukturförderung in Baden-Württemberg 2007–2013.

Kontakt
  • Dorothee Bürkle
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Me­dia Re­la­ti­ons
    Telefon: +49 2203 601-3492
    Fax: +49 2203 601-3249

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  • Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

    In­sti­tut für Bau­wei­sen und Struk­tur­tech­no­lo­gie
    Telefon: +49 711 6862-433
    Fax: +49 711 6862-227
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