DER KONSTRUKTEUR 11-12/2023

WERKSTOFF- UND

WERKSTOFF- UND VERBINDUNGSTECHNIK INTELLIGENTE WÄRME FÜR VERBUNDWERKSTOFFE Mit einer leistungsstarken und flexiblen Blitzlampentechnologie werden Verbundwerkstoffe im Prozess erwärmt und verschweißt. Warum eine gute Steuerbarkeit von Vorteil ist, lesen Sie in folgendem Beitrag. Leichtbau ist im Bereich der Mobilität, aber auch für Baumaterialien und andere Industrien eine interessante, ressourcensparende Disziplin. Bei der Herstellung von sogenannten Composites werden Fasern in einer Kunststoffmatrix eingebettet und in einem einstufigen oder mehrstufigen Prozess in die gewünschte Form gebracht. Dies können im Bereich der Luftfahrt beispielsweise Verstärkungsstrukturen in Flügeln, ganze Rumpfsegmente oder Zug-/Druckstangen zur Übertragung von Kräften sein. PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Die Technologie im Einsatz im McNair Aerospace Center der Universität South Caroline (USA) WUSSTEN SIE SCHON? Der Name „Humm” ist von dem englischen Begriff „hummingbird“ für „Kolibri“ abgeleitet. Zum einen, weil die Technologie dessen Attribute Präzision, Geschwindigkeit und Kontinuität der Bewegung teilt, zum anderen, weil das scheinbare Verschwimmen der Flügel des Vogels im Flug das scheinbar konstante Licht der Blitzlampe (60 Blitze pro Sekunde) widerspiegelt. Die „3” steht für die 3 programmierbaren Parameter der thermischen Steuerung (Pulsdauer, Energie und Frequenz). VERSCHIEDENE MATERIALIEN ERFORDERN UNTERSCHIEDLICHE FERTIGUNGSVERFAHREN Die Prozessvielfalt ist ähnlich groß, wie die Materialvielfalt und bei fast allen Prozessen wird ein Wärmeeintrag benötigt. Bei der Herstellung von Composites basierend auf duroplastischen Materialien genügt oft eine Erwärmung mittels eines Infrarotstrahlers, um eine Aktivierung des Materials vor der endgültigen Formgebung in einer Presse oder beispielsweise im Resin Transfer Moulding (RTM) Prozess zu erreichen. Bei anderen Prozessen wird sehr viel mehr Energie benötigt. Beispielsweise können unidirektionale Bänder, bestehend aus Carbonfasern und einer thermoplastischen Matrix, endkonturnah in einem Schritt gefertigt werden. Dazu wird das Material bei automatisierten Fertigungsprozessen, wie dem Automated Fiber Placement (AFP), dem Automated Tape Laying (ATL) oder beim Faserwickeln so stark erhitzt und unter Druck verbunden, dass es eine fehlstellenfreie Verschweißung ergibt. Für anspruchsvolle Materialkombinationen, die beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) enthalten, müssen an der Verbindungstelle über 380 °C erreicht werden und dies bei einer akzeptablen Verlegegeschwindigkeit, die sich im Bereich von 0,2 bis 4 m/s bewegt. Gleichzeitig muss ein Verbrennen des Materials verhindert werden, was eine gute Steuerbarkeit der Erwärmung erfordert, da beim Verlegen der Bänder häufig die Geschwindigkeit an die Kontur angepasst werden muss. Als Erwärmungstechnologien kommen neben den erwähnten Infrarotstrahlern auch Gasfackeln und Lasersysteme zum Einsatz, sowie die photonenbasierte Humm3-Technologie. Gepulste Xenon-Blitzlampen stellen die erforderliche Energie in einem Dr. Marie-Luise Bopp, Head of Marketing bei Heraeus Noblelight 82 DER KONSTRUKTEUR 2023/11-12 www.derkonstrukteur.de

WERKSTOFF- UND VERBINDUNGSTECHNIK Mit der Humm3-Technologie konnten wir unsere Forschung an Hochtemperaturwerkstoffen fortsetzen und erweitern. Gefallen hat uns besonders, dass wir sowohl das AFP-System, als auch das Humm3-System vom gleichen Bedienterminal aus steuern können. Das offene System erlaubt außerdem, unter Beachtung von Sicherheitsvorkehrungen, ein direktes Arbeiten am Layup und macht so das Training von Studenten einfacher und erlebbarer. BRANDON SEAY, Prozessingenieur im Bereich thermoplastischer Verbundwerkstoff weiten Wellenlängenbereich bereit, um die Zieltemperaturen augenblicklich zu erreichen. Durch die Steuerung der Pulsparameter ist eine gute Kontrolle des Prozesses möglich. BREITBAND-WÄRMEQUELLE SPEZIELL FÜR VERBUNDWERKSTOFFE Die Humm3-Technologie bietet eine homogene Strahlungsverteilung über einen weiten Temperaturbereich und ermöglicht damit hohe Produktionsgeschwindigkeiten. Durch die hohen Aufheiz- und Abkühlraten ist die Technologie ideal geeignet für das Aufbauen von komplexen Bauteilen mit Dry Fiber und thermoplastischen Verbundmaterialien. Sie liefert eine bisher nur von Lasersystemen bekannte Leistung, erfordert aber geringere Aufwände für prozessbedingte Schutzeinrichtungen. Ein weiterer Vorteil ist eine skalierbare Arbeitsbreite von aktuell bis zu 300 mm, womit die Legerate erheblich gesteigert werden kann. Das System besteht aus einem auswechselbaren Lampenkopf, einem Kühler und einer Powersupply. Der Lampenkopf wird in der Regel auf einem Roboterarm oder einem Gantryportal montiert und besteht aus einem wassergekühlten Lampengehäuse und einem projekt-/anlagenspezifisch ausgelegten Quarzglas- Lichtleiter. Die Austrittsstelle des Lichts wird nahe des Nip- Points, der Verbindungsstelle des einlaufenden Tapes und dem schon abgelegten Substrats, positioniert. Die Lampenleistung wird in Abhängigkeit der Verfahrgeschwindigkeit variiert und ist damit eine vergleichsweise schnell ansprechende Erwärmungslösung bei hoher Leistungsfähigkeit. Die Xenon-Blitzlampen erreichen bis zu 200 kW instantane Leistung und erwärmen das Material innerhalb von Millisekunden auf Prozesstemperatur. VERARBEITUNG THERMOPLASTISCHER TAPES IN AFP-PROZESSEN Heraeus Noblelight hat mit dem McNair Aerospace Center in der USA ein Projekt mithilfe der Humm3-Technologie verwirklicht. „Auf diesem Wege haben wir eines der ersten Systeme erhalten, um damit Dry Fibers und carbonfaserverstärkte Layups zu testen. Das System hatte eine Leistung von 6 kW. Nachdem die Versuche erfolgreich waren, wurde unser Interesse an einem leistungsstärkeren System deutlich. Heute arbeiten wir mit einer Leistung von 9 kW und können mit der höheren Leistung eine Vielzahl glasfaser- und carbonfaserverstärkter thermoplastischer Werkstoffe erfolgreich verarbeiten. Neben der schnellen Aufheizrate und der damit verbundenen schnellen Legegeschwindigkeit, haben uns die Einfachheit der Prozessparameterfindung und die Sicherheitsaspekte überzeugt“, so Brandon Seay und Jessie Pandher, beide Experten auf dem Gebiet der thermoplastischen Verbundwerkstoffe. Seay ist Prozessingenieur unter anderem für ATP-Technologien und Pandher ist Forscher mit Fokus auf Hochtemperaturprozesse und die Charakterisierung von Verbundwerkstoffen. Für die Zukunft hat sich das McNair Center vorgenommen, mit neuen Hochtemperaturmaterialien zu arbeiten, wie zum Beispiel mit Verbundwerkstoffen mit einer keramischen Matrix sowie Carbon-Carbon-Werkstoffen. Zusammen mit Heraeus Noblelight und Materiallieferanten wollen sie die Ersten sein, die diese vielversprechenden Materialien verarbeiten. Bild: Heraeus Noblelight www.heraeus-noblelight.com Wäre uns nicht passiert Qualität sichern durch Temperaturindikatoren Thermax-Temperaturindikatoren mit Farbwechsel Dokumentieren unerlaubte Temperaturveränderungen Temperaturbereiche von -20 bis +1250 Grad Reversibel oder irreversibel Als Klebestreifen, Kreide oder Tinte Bewährt in Verpackungstechnik, Transportwesen, Medizin, Lebensmittelindustrie, Mikroelektronik, Forschung etc. Hochtemperaturprodukte | Kälteerzeugung | Dichten und Kleben | Messtechnik | Beschichtungen | Problemlöser Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2015 www.kager.de