Entwicklung einer intelligenten Membrane zur presstechnologischen Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen mit hoher geometrischer Variabilität (SmartMembrane)

Ausgangssituation

Leichtbauwerkstoffe auf der Basis von faser­verstärkten Kunst­stoffen (FVK) verbinden ausge­zeich­nete dichte­bezogene mecha­nische Eigen­schaften mit einem hohen Grad an Funktio­nali­sierung. Daher streben viele Industrie­zweige den Einsatz dieser Werk­stoffe an. Die kosten­effi­ziente Herstellung von Bauteilen aus FVK gilt jedoch als sehr heraus­fordernd, insbe­sondere bei den steigenden Anforde­rungen an eine hohe Produkt­variabilität und Individuali­sierung. Haupt­kosten­treiber sind die Entwicklung geeigneter Werk­zeug­konzepte und die Dauer der Prozess­implemen­tierung, wodurch diese Techno­logie sehr investitions­intensiv und insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen nicht umsetzbar ist.

Projektziel

Ziel des Projektes war es, ein adaptives Fertigungs­verfahren zu entwickeln, bei dem das bauteil­spezi­fische Fertigungs­werk­zeug mit einer beheiz­baren, flexiblen Membran mit integrierten Sensoren so kombi­niert wird, dass es sich eignet, Hochleistungs­komposit­materialien wie die neuartigen Snap-Cure-Polymersysteme in einem adaptiven Prozess zu formen.

Lösungsweg

Im Rahmen des Projekts SmartMembrane wurde ein neuartiger Herstellungs­ansatz entwickelt, der eine deut­liche Verein­fachung herkömm­licher Konsolidierungs­prozesse mit prozess­sicheren Fähig­keiten ermög­licht. Schlüssel­element ist eine intelli­gente Membran, bestehend aus einem hoch­flexiblen Elastomer mit inte­grierten Heiz­elementen und Sensorik zur Prozess­überwachung und Sofort­anpassung der relevanten Prozess­parameter. In Kombination mit geeigneten adap­tiven Werk­zeug­konzepten, die entweder auf modularen oder verstell­baren Stift­elementen basieren, ist eine hohe Flexi­bilität hinsicht­lich der Bau­teil­geometrie reali­sierbar. So lassen sich kleine Los­größen für indivi­duali­sierte Bau­teile mit maß­ge­schnei­derten Eigen­schaften und repro­duzier­barer Material­qualität zu vergleichs­weise geringen Investitions- und Produktions­kosten herstellen. 

Das Projektkonsortium von SmartMembrane hatte drei wichtige Forschungs- und Entwicklungs­themen identi­fi­ziert, die für den Erfolg der vorge­schla­genen Lösung unerlässlich sind:

• Die Entwicklung geeigneter Elastomer­werkstoffe, die den hohen mechanischen und physika­lischen Anforderungen standhalten können

• Die Konzeption und Umsetzung von Heiz­elementen mit ange­schlossenen sensorischen Elementen zur Prozess­überwachung und -steuerung

• Die Implementierung der intelligenten Membran mit einer adap­tiven Form zur Funktions­validierung und Optimierung zur Verarbeitung von schnell­härtenden Polymer­systemen

Ergebnisse | Nutzen

Im Laufe des Projektes wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:

• Heizschicht mit einstell­barer beheiz­barer Fläche, Eingangs­spannung, Ausgangs­leistung und Größe

• Smartmembran mit Temperatur- und Drucksensoren

• Epoxid-Komposit, das mit der Smartmembran hergestellt wurde

• Hochskaliertes Verfahren für die Herstellung der Heizmembranen

Die Installation von Temperatur- und Druck­sensoren mit Hilfe von flexiblen und dehn­baren Elektroden, die der Membran eine intelli­gente Funktio­nalität verleihen, stellt sicher, dass die Technologie mit weniger mensch­lichem Aufwand eingesetzt werden kann. In Unternehmen, die mit Harzen, Prepregs, Snapcure-Polymeren usw. arbeiten, kann diese alternativ zur derzei­tigen Technologie, die große und komplexe Formen erfordert, zum Einsatz kommen. Auf der Grund­lage der unter­suchten physi­kalischen Eigen­schaften des Heiz­elementes können außerdem kunst­stoff­verarbei­tende KMU dieses Material problemlos in ihre Produktions­linie einbauen. In Absprache mit interessierten Unternehmen wurde ein Demonstrator­design ausgewählt, welches den Leistungs­anforde­rungen entsprach.

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