Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Forschungsprojekt »BioStrukt«
Die Natur ist Vorbild für materialeffiziente Strukturen. In der Flora und Fauna lässt sich beobachten, wie durch gezielten Materialeinsatz und Topologieoptimierung effiziente Strukturen wie das Wabenmuster in Bienenstöcken oder ähnliche natürliche Gitterstrukturen entstehen, die leicht und widerstandsfähig sind. Viele dieser Erkenntnisse lassen sich auch auf Faserverbundkunststoffe (FVK) übertragen: Organische Materialien wie Kohlenstofffasern können in einer Kunststoffmatrix kombiniert und zu bionischen Strukturen weiterverarbeitet werden. Doch diese Faserverbundstrukturen schöpfen mit herkömmlichen Fertigungsverfahren noch nicht das gesamte Potenzial aus. Um die Ressourceneffizienz weiter zu steigern entwickelte das Fraunhofer IPT gemeinsam mit seinen Partnern im Forschungsprojekt »BioStrukt« basierend auf dem Verfahren des Tapelegens eine Anlagentechnik zur automatisierten Herstellung bionischer Strukturen aus FVK.
Material- und kosteneffiziente bionische Leichtbauteile herstellen
Ziel des Projekts »BioStrukt« war es, durch das Tapelegen gelenkter Fasern bionische Organobleche herzustellen, die umgeformt und hinterspritzt die Produktion material- und kosteneffizienter Leichtbauteile ermöglichen. Dafür entwickelten die Projektpartner eine Prozesskette, die diese eingesetzten Produktionstechnologien vereint und mit einem Handhabungssystem und einer kontinuierlichen Qualitätsüberwachung verknüpft. Eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette – von der Herstellung des bionischen Organoblechs bis hin zum fertigen Technologiedemonstrator – versetzt das Konsortium in die Lage, alle Prozessschritte aufeinander abzustimmen und so Ressourcen zu schonen und gleichzeitig die Produktivität und Prozesssicherheit zu steigern.
Ziel war die Demonstration mit einem industrienahen Prototypen
Das Fraunhofer IPT nutzte sein Know-how zur Kurvenablage von Tapes, um einen in der Industrie einsetzbaren Prototypen zur automatisierten Ablage gelenkter Fasern zu entwickeln. Hierfür wurde das In-situ-Tapelegesystem »PrePro®2D« weiterentwickelt, um thermoplastische unidirektionale Tapes (UD-Tapes) in Kurvenbahnen mit definierten Radien abzulegen, um so die lastoptimalen Formen der Natur nachzuahmen.
Um die so entstehenden bionischen Organobleche umzuformen und zu hinterspritzen, untersuchte das Fraunhofer IPT das Thermoforming dieser Halbzeuge. Im aufgewärmten Zustand ist eine gezielte Handhabung der bionischen Organobleche notwendig, damit die Form der Strukturen nach dem Thermoforming die gewünschten Faserorientierungen aufweist. Damit die Prozesskette technologisch und wirtschaftlich bewertet und die Qualität des Halbzeugs und des finalen Bauteils geprüft werden konnte, wurden alle Daten im Sinne der Industrie 4.0 erfasst, zentral gespeichert und analysiert. Am Ende kann so nicht nur eine wirtschaftliche Ablage bionischer Organobleche, sondern gleichzeitig die Qualität ganzheitliche bewertet werden.
Konsortium
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT (Projektkoordinator)
- Apodius GmbH
- SK Industriemodell GmbH