Pultrusion meets Fraunhofer IWU - aktuelle Forschungsergebnisse

Mit fünf Standorten, drei Wissenschaftsbereichen und einem Ziel – „Ressourceneffiziente Produktion“ – zählt das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU zu einem der größten und am vielfältigsten aufgestellten Institute im Fraunhofer-Verbund. Über alle Themengebiete hinweg spielt das Kriterium der Gewichtsreduzierung eine bedeutende Rolle. So konnte das Fraunhofer IWU in den vergangenen 25 Jahren viel Know-how im Bereich des Leichtbaus aufbauen und stetig erweitern. Im Sinne der anwendungsorientierten Forschung stehen den Mitarbeitern am Institut verschiedenste Anlagentechniken im Industriemaßstab für die Lösung von aktuellen Herausforderungen zur Verfügung. Mit der Inbetriebnahme einer Serienanlage zur Herstellung von leichten Faser Kunststoff Verbund (FKV)-Profilen im Jahr 2016 wurden die Möglichkeiten im Bereich der modernen Leichtbauforschung stark erweitert. Neben dem Fokus einer Flexibilisierung des bereits heute sehr wirtschaftlichen Pultrusionsprozesses arbeiten die Mitarbeiter des Fraunhofer IWU mit weiteren Partnern aus der Industrie und Wissenschaft an einem breiten Entwicklungsportfolio. Das in den vergangenen Jahren aufgebaute Wissen im Zusammenspiel mit den interdisziplinären Ansätzen mündete bereits in eine Vielzahl an Projekten. Eines dieser Forschungsthemen befasst sich zum Beispiel mit der Sicherheit von Leichtbau-Fortbewegungsmitteln, bei denen Aktoren/Sensoren für die Überwachung und Unterstützung in die Primärstruktur integriert werden sollen. Als Teilprojekt befasst sich das Fraunhofer IWU mit der Integration von Piezosensoren in einen Skiroller, der als Demonstrator umgesetzt werden soll. Aufgrund der Anforderungen und Randbedingungen wird für die Realisierung das spezielle Radius-Pultrusionsverfahren angewendet, mit dem es möglich ist, konstant gekrümmte Profile herzustellen. Neben einer Trainingsüberwachung für den Anwender durch den Einsatz von Sensoren konnte gleichzeitig auch ein realistischeres Skiverhalten sowie mehr Bodenfreiheit für die sommerliche Anwendung erzielt werden. Mit einem hybriden Aufbau aus Glas- und Kohlenstofffasern unterschiedlicher Faserausrichtungen war es darüber hinaus auch möglich, das Bauteilgewicht zu reduzieren. In Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. ist die Umsetzung von hybriden Profilstrukturen in einem Prozess ein weiteres Ziel. Mit diesem Projekt soll nicht nur der Energieeinsatz und Zeitaufwand reduziert werden, sondern auch gleichzeitig das Eigenschaftsprofil dieser hybriden Strukturen (Metall/Kunststoff – FKV) verbessert werden. Das potentielle Einsatzspektrum erstreckt sich von der Automobilanwendung (z. B. als Schweller) bis hin zur Bauindustrie (z. B. als verstärktes Fensterprofil). Das Pultrusionsverfahren ist dabei aufgrund seiner hohen Wirtschaftlichkeit für große Stückzahlen prädestiniert. An vielen weiteren Forschungs- und Entwicklungsthemen ist das Fraunhofer IWU beteiligt und möchte in den kommenden Jahren die Aktivitäten im Bereich der Pultrusion weiter ausbauen. Gemeinsam mit engagierten Partnern entlang der kompletten Wertschöpfungskette wurde hierfür 2017 das Netzwerk PulNet gegründet. Neben der Etablierung des Pultrusionsverfahrens zielt das Netzwerk vor allem auf die Vernetzung der beteiligten Partner sowie auf die gemeinschaftliche Weiterentwicklung des Verfahrens ab

An einem Strang ziehen - Herstellung von Leichtbauprofilen mittels Pultrusion

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU arbeitet unter dem Leitthema „Ressourceneffiziente Produktion“, was sich über alle Arbeitsbereiche hinweg erstreckt. Neben der Suche nach Lösungen für innovative Prozesse und Produkte in den verschiedenen Fertigungsbereichen, spielt der Leichtbau eine bedeutende Rolle am IWU. Das langjährig aufgebaute Know-how in diesem Bereich umfasst eine Vielzahl an Leichtbauwerkstoffen und -technologien. Von hochfesten Stählen über zellulare Metalle bis hin zu ultraleichten Faserverbundlösungen aus Kohlenstofffasern steht das Fraunhofer IWU als kompetenter Partner zur Verfügung.Mit der Investition in eine moderne Pultrusionsanlage hat das Fraunhofer IWU im Jahre 2016 die Fertigungstechnologien im Faserverbundbereich stark erweitert. Das Pultrusionsverfahren ist eines der wenigen kontinuierlichen Herstellungsprozesse für die Leichtbauprofilfertigung. Das Verfahren wurde bereits vor ca. 60 Jahren entwickelt und findet heute vor allem in der Halbzeugherstellung Anwendung. Ausgangspunkt für die Profilfertigung sind zum einen die Verstärkungsfasern (Glas-, Basalt-, Kohlenstofffasern etc.) und zum anderen das Matrixmaterial (UP-, EP-, PU-Harz etc.). Der allgemeine Verfahrensablauf lässt sich grob in fünf Teilschritte untergliedern. In den ersten Schritten werden die trockenen Verstärkungsfasern bzw. -halbzeuge von einem Vorratsbereich abgezogen und mit dem Matrixmaterial getränkt. Dies kann abhängig von der Materialwahl zum einen über ein offenes Harzbad oder eine geschlossene Injektionsbox realisiert werden. Im nächsten Prozessschritt durchlaufen die harzgetränkten Verstärkungsmaterialien ein beheiztes Formwerkzeug, indem die Matrixkomponente aushärtet. Durch das alternierend arbeitende Greifersystem, wobei es sich um das Herzstück einer Pultrusionsanlage handelt, wird das ausgehärtete Profil kontinuierlich gefördert und im letzten Schritt auf die gewünschte Länge gesägt. Auf diese Weise lassen sich gerade Profile mit einem konstanten Querschnitt fertigen. In einer Verfahrensweiterentwicklung ist es Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG gelungen, in einem modifizierten Prozess konstant gekrümmte Profile herzustellen und so die Anwendungsbereiche des Verfahrens zu erweitern. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und Forschung zielt das Fraunhofer IWU auf eine weitere Flexibilisierung des Pultrusionsprozesses ab. Das Fraunhofer IWU hat für sich auf dem Gebiet der Pultrusion unter anderem folgende Forschungsbereiche definiert:- Variabel gekrümmte Profile- Querschnittsveränderliche Profile- Hybride Profile- Smarte Profile- Faser-/Matrixsysteme- Virtuelle ProzessketteZur Umsetzung dieser Ziele und Erweiterung der Anwendungsfelder des Pultrusionsverfahrens haben sich starke Partner aus der Industrie und Forschung gefunden und zu einem Netzwerk zusammengeschlossen. Das Netzwerk PulNet wird dabei die komplette Wertschöpfungskette abdecken, um gemeinsame Entwicklungen im Bereich der Pultrusion voranzutreiben

Inline production of multi-material pultrusion profiles: Poster presentedt at 5th International Composites Conference, ICC 2019, 10. - 12. September 2019, Stuttgart, im Rahmen der Fachmesse COMPOSITES EUROPE

Components made of more than one material are in the center of development at countless research and development institutions. These multi-material components are an important basis for efficient and economical lightweight design, especially in the automotive industry. The research project "Hybrid Pultrusion" – funded by the European Union and the Free State of Saxony – addresses the pultrusion process in order to be able to produce hybrid profiles from fiber-reinforced plastics (FRP) and metallic functional elements or other plastic elements in the future

Pultrudierte Profile für Verkehr und Transport: Vortrag gehalten auf dem Interdisziplinären Fahrzeugkolloquium, 05.12.2018, Dresden

Unter dem Leitthema „Ressourceneffiziente Produktion“ beschäftigt sich das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU mit einer Vielzahl an Arbeits- und Produktionsprozessen. Dabei spielt unter anderem das Thema Leichtbau eine bedeutende Rolle, um die zukünftigen Herausforderungen zu meistern. Das langjährig aufgebaute Know-how in diesem Bereich umfasst eine Vielzahl an Leichtbauwerkstoffen und -technologien. Ein Kernthema ist dabei das wirtschaftliche Pultrusionsverfahren zur Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoffprofile. Mit einer Investition in eine eigene serientaugliche Pultrusionsanlage hat das Fraunhofer IWU im Jahre 2016 die Fertigungstechnologien im Faserverbundbereich stark erweitert. Das Verfahren wurde bereits vor ca. 60 Jahren entwickelt und findet heute vor allem in der Halbzeugherstellung für verschiedenste Branchen Anwendung. In einer Verfahrensweiterentwicklung ist es Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG gelungen, in einem modifizierten Prozess konstant gekrümmte Profile unterschiedlicher Radius Dimensionen herzustellen und so die Anwendungsbereiche des Verfahrens zu erweitern. Gemeinsam mit weiteren Partnern aus der Industrie und Forschung zielt das Fraunhofer IWU auf eine weitere Flexibilisierung des Pultrusionsprozesses ab. Zur Umsetzung dieser Ziele und Erweiterung der Anwendungsfelder des Pultrusionsverfahrens haben sich starke Partner aus der Industrie und Forschung zu einem Netzwerk zusammengeschlossen. Das Netzwerk PulNet deckt dabei die komplette Wertschöpfungskette ab, um gemeinsame Entwicklungen im Bereich der Pultrusion voranzutreiben. Bei einem der Netzwerkpartner handelt es sich um das in Haselünne ansässige Unternehmen Techno-Composites Domine GmbH. Als Systemlieferant für GFK-basierte Bauteile kann das inhabergeführte Unternehmen auf eine knapp 25-jährige Erfolgsgeschichte zurückblicken und darf namhafte Partner wie zum Beispiel Bombardier, Siemens oder auch MAN zu seinen Kunden zählen. Auf einer Gesamtfläche von ca. 20.000 m² werden komplexe Bauteile für Schienenfahrzeuge und Busse sowohl entwickelt als auch gefertigt. Dabei beginnt der Wertschöpfungsprozess bereits mit der Idee und der konstruktiven Umsetzung der kundenspezifischen Lösungen. Für die fertigungstechnische Umsetzung greift das Unternehmen anschließend zum Großteil auf pultrudierte Strukturen aus dem Hause Exel Composites, einem der größten Pultrudeure weltweit, zurück. Die notwendige Konfektionierung dieser Profile erfolgt auf mehreren CNC Maschinen bevor die Montage der einzelnen Komponenten zum fertigen Bauteil führt. Hauptanwendungsbereiche liegen in der Außen- und Innenverkleidung für den Transportsektor sowie dem Chemieanlagenbau

Material- und Werkstoffentwicklung am Fraunhofer IWU: Vortrag gehalten beim Workshop "Industrie trifft Forschung", Annaberg-Buchholz, 23.10.2019

Material- und Werkstoffentwicklungen spielen in nahezu jeder Branche und jeder Anwendung eine bedeutende Rolle. Der Votrag bietet einen kleinen Ausschnitt aus dem Produktportfolio des Fraunhofer IWU und im speziellen der Abteilung "Funktionsitegrierter Leichtbau". Neben Schwerpunktthemen Metallschaum, Hybridbauweisen und Pultrusion sind auch übergreifende Beispiele aufgeführt

Smartes Leichtgewicht auf Rollen: Sensorierter Skiroller in Leichtbauweise aus Glas- und Kohlenstofffaserhalbzeugen

Leichte Anwendungen aus Faser-Kunststoff-Verbunden werden bereits seit Jahrzehnten im Spitzensport eingesetzt. Ein innovativer Skiroller – entwickelt in dem vom BMBF geförderten Verbundvorhaben „SmartFrame

Neuartige Belastungssensoren für den Leichtbau

Leichtbaustrukturen lassen sich optimieren indem das Leichtbaupotential durch eine Reduzierung des Sicherheitsfaktors effizienter ausgeschöpft wird. Bei Reduzierung von Sicherheitsreserven ist es sinnvoll eine Belastungsüberwachung zu implementieren. Durch eine Belastungsüberwachung ist es außerdem möglich die maximale Standzeit von Bauteilen den real aufgetretenen Beanspruchungen entsprechend auszunutzen. Eine Belastungsüberwachung bietet auch die Möglichkeit Überbeanspruchungen oder Fehlhandhabungen zu erkennen und unberechtigte Gewährleistungsfälle zu vermeiden. Konventionelle Systeme zur Belastungsüberwachung weisen wesentliche Nachteile hinsichtlich Ermüdungsbeständigkeit, Sensitivität, Dehnbarkeit oder Kosten auf. Eine neuartige Sensortechnologie basierend auf einer Formgedächtnislegierung stellt einen Lösungsansatz zur Überwindung dieser Nachteile dar. Formgedächtnislegierungen lassen sich in Drahtform als Sensorfilament in faserverstärkte Kunststoffstrukturen integrieren. Die Umsetzbarkeit im Pultrusionsprozess und die Nutzung des Messsignals eines strukturintegrierten Sensorfilament zur Ermittlung von Biege- beziehungsweise Zug- und Druckbelastungen wurde am Fraunhofer IWU erstmals nachgewiesen. Teile dieser Arbeit entstanden im Rahmen des Bundesexzellenzcluster EXC 1075 „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen“ und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung

Leuchtfasern als Designelement im Kunststoffbauteil

Die Kombination von Leuchtfasern und Kunststoffen bzw. Faser-Kunststoff-Verbunden eröffnet ein in die Zukunft gerichtetes Feld im Bereich der Funktionalisierung von Leichtbauwerkstoffen. Was vor allem Designer freuen dürfe: Fortan können bis dato nicht umsetzbare filigrane Konturlinien und gleichmäßige Leuchteffekte auf Bauteilen erzeugt werden

Sensing and actuating functions by shape memory alloy wires integrated into fiber reinforced plastics

Lightweight design based on fiber reinforced plastics (FRP) has potential for improvement by integration of sensors and actuators made of smart material filaments. Regarding FRP with integrated actuating shape memory alloy (SMA) wires, this paper presents important characteristics of such an adaptive composite and its components for design purposes. Beyond that, the first successful pultrusion processing of sensing SMA wires is proposed to address lightweight design mass production for safety-related applications. Measurements of this smart composite structure with strain sensor functionality proved high sensitivity compared to conventional sensors

Luminous Fibers as Design Elements in Plastics Parts

The combination of light diffusing fibers and plastics or fiber-reinforced composites opens up a future-oriented topic in the field of the functionalization of lightweight materials. Especially designers be allowed to look foward: From now on, filigree contours can be realized and uniform lighting effects on the surface of lightweight components can be archieved