Hochleistungswerkstoffe

Zeit- und kostengünstig komplexe Flugzeugteile produzieren

Für ein komplett aus Kunststoffen bestehendes Antriebswellensystem mit angespritztem Zahnrad wurde in diesem Jahr der JEC Innovation Award 2019 in der Kategorie Aerospace Application verliehen. Die Technologie birgt hohes Potenzial für Leichtbau-Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt.

Innovation bei Verbundstoffen – ganz aus thermoplastischen Kunststoffen bestehendes Antriebswellensystem. © Herone

Die Antriebswelle besteht aus einem aus thermoplastischen UD-Tapes geflochtenen Vorformling, einem "Organotube", der zuerst zu einem stoffschlüssigen Composite-Rohr konsolidiert und anschließend im Spritzgießwerkzeug mit einem PEEK der Marke Victrex überspritzt wird. Die unidirektionalen Tapes bestehen aus Thermoplast-imprägnierten Endlos-Kohlenstofffasern. Das Verfahren wurde am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden und dem Unternehmen Herone entwickelt, um hochwertige Hohlprofile aus endlosfaserverstärkten PAEK-Verbundwerkstoffen herzustellen. Die Kombination mit dem Spritzguss erlaubt es, weitere Funktionen zu integrieren; in diesem Fall ein Zahnrad mit stoffschlüssiger Anbindung und geometrischen Hinterschnitten, die höhere Torsionsfestigkeit ermöglichen.

Mit Nutzung thermoplastischer Tapes zum Formen der Organotubes ist der komplexe und zeitaufwendige Prozessschritt des Imprägnierens der Karbonfasern mit thermoplastischem Matrixmaterial bereits vor der Formgebung abgeschlossen. Dies eröffnet Potenzial für deutlich kürzere Zykluszeiten und Effizienzsteigerungen bei den Herstellungsprozessen für Verbundstoffprofile. Darüber hinaus ermöglicht das Flechten hohe Legeraten und macht den Prozess auch für die industrielle Fertigung in großem Maßstab geeignet.

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Das Hybrid-Spritzgießverfahren basiert auf der sehr guten Verschweißbarkeit der beiden Materialien. Es werden kohäsive Bindungen auf Molekülebene zwischen Welle und Zahnrad erzeugt. Gleichzeitig wird die Antriebswelle beim Überspritzen thermogeformt, sodass zwischen Zahnrad und Antriebswelle eine stoffschlüssige Verbindung mit Hinterschnitten entsteht, die die Festigkeit des CfK-Bauteils weiter erhöhen.

Die Schmelztemperatur des der Faserimprägnierung liegt ungefähr 40 Kelvin unter der des mit kurzen Carbonfasern verstärkten Überspritz-Thermoplasts. Das Matrixpolymer der Welle muss vor dem Umspritzen nicht über seine Schmelztemperatur hinaus vorgewärmt werden. Dieser Verarbeitungsansatz von Victrex ist als "Hybrid Moulding" bekannt und führt laut Unternehmen zu erheblich verbesserter Ressourceneffizienz, Prozesssicherheit und Verbindungsfestigkeit.

Darüber hinaus werden weitere Vorteile erwartet. Darunter eine Verbesserte Teilequalität, die zum Teil aus der Flexibilität des Flechtprozesses der UD-Tapes herrührt. Die Zykluszeiten können sich dank der Konsolidierungstechnologie im Minuten-Bereich bewegen.

Intelligente Designs mit integrierter Funktionalität können die Anzahl der Bauteile und die Montagekosten senken. Dabei sind Festigkeitssteigerungen dank kohäsiver, stoffschlüssiger Bindungen und Hinterschnitte möglich. Die finale Formgebung der thermoplastischen CfK-Rohre während des Umspritzens bildet die formschlüssige Geometrie mit den speziellen Eigenschaften, beispielsweise eine sternförmige Innenkontur.

Die neuartige Verbundstofflösungen kann, in diesem Fall für die Luftfahrt, eine schnellere Bauteilefertigung in höheren Stückzahlen bei potenziellen Kosteneinsparungen ermöglichen. Innovative Konsolidierungstechniken für thermoplastische Materialien unterscheiden sich erheblich von der Verarbeitung von Metall oder Duroplasten. Voll funktionsfähige Designmerkmale können eventuell in weniger Fertigungsschritten integriert werden.

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