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

BMWi IGF CORNET 266 EBR | Laufzeit: 01.2020 – 03.2022 Minoj Gnanaseelan, Kristin Trommer, FILK Freiberg; Rafal Stanik, Maik Gude, ILK TU Dresden; Anna Boczkowska, WUT Warschau – Polen
  • Kategorien:
  • Funktionale Schichtsysteme
  • Technische Textilien/Composite

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.

   

Bericht anfragen

Danksagung

The project 266 EBR „Smart membrane pressing technology for manufacturing of high performance composite components of high diversification“ of the research association „FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1-5, 09599 Freiberg“ was funded by the Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) (Federal Ministry of Economy and Climate Protection) on the orders of the Deutscher Bundestag.

The project ‚Smart membrane pressing technology for manufacturing of high performance composite components of high diversification (Smartmembrane)‘ was performed in co-operation with FILK Freiberg Institute gGmbH (FILK), Technische Universität Dresden (TUD) and Warsaw University of Technology (WUT) within the framework of the Transnational Collective Research Networking between SME associations and research organisations (cornet).

In Poland the project was funded by NCBR. We would like to thank our colleagues at TUD and WUT as well as all other involved partners in Poland and Germany for their support.

Kontakt

FILK Freiberg Institute gGmbH
Meißner Ring 1-5
D-09599 Freiberg

Fon: +49-(0)3731-366-0
Fax: +49-(0)3731-366-130
E-Mail: mailbox@filkfreiberg.de