Automatisierte Technologie zur Herstellung von kontinuierlich drapierten Preforms

Die Nutzbarmachung der Energie aus Gezeitenströmungen bietet ein großes Potenzial, um den erneuerbaren Anteil im Energiemix der Zukunft zu steigern. Die Herstellung von Rotorblättern für die hierzu notwendigen Gezeitenkraftwerke ist gleichermaßen wie die Produktion von Windkraftrotorblättern gekennzeichnet von einem überwiegenden Anteil manueller Handarbeit. Dies betrifft insbesondere den Prozessschritt des Preformings, bei dem ein großflächiger, textiler Vorformling hergestellt wird, der in einem anschließenden Schritt mit der polymeren Matrix vakuuminfundiert wird. Während das Preforming für Bauteile kleiner und mittlerer Größe in der Regel über das Verpressen bebinderter Textillagen erfolgt, existiert kein automatisiertes Pendant für großflächige Bauteile mit einem hohen Längen- zu Breitenverhältnis (Aspektverhältnis). Gelingt es, das Preforming für derartige FVK-Bauteile zu automatisieren, können sowohl wirtschaftliche als auch qualitätsspezifische Fertigungsoptimierungen für die nachhaltige Energieerzeugung in Aussicht gestellt werden.

Ziel des im Innovationsverbund der LU Hannover, TU Clausthal und TU Braunschweig durchzuführenden Forschungsprojekts ist die Entwicklung und Erforschung einer automatisierten Technologie zur Herstellung von kontinuierlich drapierten Preforms für großflächige FVK-Infusionsbauteile mit hohem Aspektverhältnis. Der neuartige, vollautomatisierte Herstellungsprozess, der anhand eines Technologiedemonstrators in Form eines Rotorblatts für Gezeitenkraftwerke entwickelt wird, umfasst den lagenweisen Aufbau eines Preforms durch kontinuierliches Drapieren online bebinderter textiler Halbzeuge auf komplex gekrümmte Oberflächen.

Mit dem im Projekt FlexProCFK entwickelten Funktionsdemonstrator eines Drapierlegekopfes für komplexe Strukturbauteile wird eine neue Technologie zum kontinuierlichen Aufbau eines Trockenfaser-Preforms entwickelt und erforscht. Ein Forschungsschwerpunkt ist hierbei die Fixierung des Fasertextils mittels eines aufgesprühten Binders auf der Werkzeugform oder der zuvor abgelegten Textillage, um ein Verrutschen zu vermeiden. Der Legeprozess wird dabei auf das Aktivierungsverhalten verschiedener Bindertypen angepasst und der Einfluss auf die Qualität des Preforms untersucht. Weiterführend wird das Infusionsverhalten des Preforms unter dem Einfluss des Bindermaterials und -menge in Permeabilitätsmessungen untersucht und zur Verwendung in Infusionssimulationen modelliert. Im betrachteten Technologiedemonstrator stellen fertigungsinduzierte Faserwinkelabweichungen und Faltenbildung im Preform eine der häufigsten Versagensursachen dar. Durch die stereoskopische Aufnahme der Faserstruktur nach der Ablage werden die Faserwinkel und Drapierfehler im Preform erfasst und dienen einer realitätsnahen Infusionssimulation und Strukturanalyse zur Eigenschaftscharakterisierung des Rotorblattes als Grundlage. Es wird simulativ der Einfluss lokaler Faserwinkelabweichungen auf mechanische Bauteileigenschaften wie Festigkeit und Stabilität in Abhängigkeit von Bauteilgeometrieparametern und Materialeigenschaften untersucht. Durch den kontinuierlichen Austausch im Innovationsverbund werden die Erkenntnisse aus den experimentellen- und simulativen Untersuchungen effizient verknüpft und in die Prozessentwicklung zur Steigerung der Preformqualität einbezogen.