ENLIGHTEN-Programm gestartet, um die Industrialisierung thermoplastischer Verbundwerkstoffe zu beschleunigen

Je leichter ein Fahrzeug ist, desto weniger Kraftstoff verbraucht es und desto weniger CO₂ emittiert wird. Leichte Materialien, die stark genug sind, um die Sicherheit der Passagiere zu gewährleisten, sind auch bei Herstellern von Autos und Flugzeugen beliebt. Thermoplastische Verbundwerkstoffe – faserverstärkte Kunststoffe, die beim Erhitzen weich werden – sind leicht, fest, einfach zu verarbeiten und leicht zu recyceln. Bestimmte Bauteile in Flugzeugrümpfen und -flügeln werden bereits aus diesem relativ neuen Material hergestellt. Sie werden jedoch noch nicht weiter verbreitet.

Das Ziel von ENLIGHTEN — Integrierte Leichtbaustrukturen in hohen Stückzahlen ermöglichen — ist es, einen Weg zu finden, aus diesem Material verlässliche, reproduzierbare und kostengünstige Gesamtstrukturen herzustellen. Dieses 6 Millionen Euro teure Projekt mit einer Laufzeit von fünf Jahren wird von der Universität Twente (UT, Twente, Niederlande) und Dr. Remko Akkerman, Wissenschaftler an der UT und dem ThermoPlastic Composites Research Center (TPRC, Twente, Niederlande) ins Leben gerufen der in den Niederlanden ansässigen Perspektive Programm, das Wissenschaftler herausfordert, innovative neue Forschungsrichtungen zu etablieren, die eine echte wirtschaftliche und gesellschaftliche Wirkung haben können. Erstellt vom Niederländischen Forschungsrat (NWO) und dem Ministerium für Wirtschaft und Klima, sechs Perspektive In den Niederlanden werden Konsortien gegründet, in denen 138 Unternehmen und Organisationen 10 Millionen Euro aus eigener Kraft beisteuern, um die von der niederländischen Regierung bereitgestellten 22 Millionen Euro zu kompensieren.

Mehrskalige Details entwickeln

CW sprach mit Akkerman, um besser zu verstehen, was ENLIGHTEN wirklich beinhaltet. „CompositesWorld Die Leser kennen die Arbeit von TPRC, wo wir uns auf die schnelle thermoplastische Verarbeitung konzentrieren, einschließlich Schweißen, Umspritzen und auch Recycling“, sagt Akkerman. „Wir haben viele Ergebnisse zu Materialien, Verfahren und Leistung veröffentlicht. Doch wie wirkt sich das Verfahren auf die Faser-Matrix-Verteilung und Porosität im Verbund aus? Wie wirkt sich das wiederum auf die mechanische Leistung des Teils aus? Wie wirken sich diese Prozesse auf die Rissbildung und das Risswachstum im Betrieb aus? Diese Aspekte müssen verstanden werden, um thermoplastische Verbundwerkstoffe für einen breiteren industriellen Einsatz zu reifen.“

Aus diesem Grund ist ENLIGHTEN ein so großes Programm, an dem Spezialisten für Polymere, Verbundmikromechanik und digitale Multiskalenmodellierung sowie digitale Datenwissenschaft beteiligt sind. „Unser Ziel ist es, Wissen zu entwickeln, mit dem wir diese thermoplastischen Verbundprozesse für eine optimierte Leistung optimieren können“, sagt Akkerman. „Wir werden auch die Prozessüberwachung integrieren – denn die Materialqualität hängt von Ihrer Fähigkeit ab, den Prozess zu kontrollieren – und maschinelles Lernen, um diese Optimierung zu beschleunigen.“

ENLIGHTEN umfasst alle drei technischen Universitäten in den Niederlanden (Universität Twente, Technische Universität Delft und Technische Universität Eindhoven) sowie Unternehmen entlang der Lieferketten der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, darunter OEMs, Tier-Zulieferer und KMU. Auch Organisationen außerhalb der Niederlande sind beteiligt, darunter das WMG Centre for High Value Manufacturing der University of Warwick im Rahmen des britischen CATAPULT-Programms und Jaguar Land Rover, eine Tochtergesellschaft des globalen Automobilherstellers Tata Motors (Mumbai, Indien).

Diese mikroskopische Aufnahme zeigt eine gewisse Faserwanderung oberhalb der Bindenaht zwischen einem kontinuierlichen faserverstärkten Rohling und dem kurzfaserverstärkten Spritzguss-Überguss. Wie sich dies auf die Festigkeit und Leistung des Teils auswirkt, ist eine von vielen Fragen, die ENLIGHTEN beantworten muss.

„Die Prozesse, die wir untersuchen werden, umfassen Induktions- und Ultraschallschweißen sowie das Umspritzen, das auch eine Schweißgrenzfläche hat, die jeweils die gleichen physikalischen Phänomene, aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten beinhalten“, bemerkt Akkerman. „Also gelten auch hier die gleichen Phänomene bezüglich Faserbewegung, Spannung und Rissbildung.“ Aber fliegen nicht schon seit über 30 Jahren geschweißte thermoplastische Verbundstrukturen in Verkehrsflugzeugen? „Ja, aber keine dieser Strukturen verwendet Induktions- oder Ultraschallschweißen mit unidirektionalen Bändern“, betont er, „was viel schwieriger zu verstehen und zu kontrollieren, aber auch wirtschaftlicher herzustellen ist, wenn wir die Prozesse vollständig vorhersagen können.“

Multiskalenmodelle und physikalische Tests werden im ENLIGHTEN-Projekt eine Schlüsselrolle spielen. „Es ist unmöglich, einen Verbundwerkstoff zu verstehen, ohne sich den Herstellungsprozess anzusehen, der zu seiner Herstellung verwendet wurde“, sagt Akkerman. „Durch digitale Modellierung können wir Hypothesen formulieren und dann nebeneinander Experimente durchführen, um unsere Ergebnisse zu validieren und unser Verständnis zu verfeinern. Dazu gehört beispielsweise die Untersuchung der Bildung von kristallinen Strukturen auf Mikroebene, wie sich Fasern während des Schweißprozesses auf der Mesoebene bewegen und wie diese Phänomene zusammenwirken, um die Entstehung von Spannungen, Mikrorissen und den Bruchlasten der Struktur auf der Makroebene zu beeinflussen eben. Diese sehr eingehende, aber kombinierte Untersuchungsebene habe ich in unserer Branche noch nicht gesehen.“

Aber wo kommt maschinelles Lernen ins Spiel? „Jedes der Analyseelemente in Arbeitspaket 1 und 2 dauert Stunden“, sagt Akkerman, „und muss für jedes spezifische Material, Teil und Prozess wiederholt werden. Wenn Sie über alle diese Maßstäbe und Modelle hinweg eine Optimierung erzielen möchten, dauert dies Tausende von Stunden. Dabei sammeln wir jedoch Daten darüber, wie all diese Phänomene miteinander in Beziehung stehen. Wir können dann neuronale Netze trainieren, um Verbindungen in diesen Daten zu erkennen, ganz im Einklang mit der zugrunde liegenden Physik.“

Mit Blick auf den unten abgebildeten Arbeitsumfang erklärt er:„Es wird Verbindungen von links nach rechts und von oben nach unten geben. Basierend auf all diesen Analysen ist es unser Ziel, Algorithmen zu entwickeln, die allgemeiner und flexibler eingesetzt werden können, ohne jedes Mal bei Null anfangen zu müssen. Mit anderen Worten, diese Algorithmen können auf Ihr bestimmtes Teil angewendet werden und helfen Ihnen, Ihre Prozessparameter und Materialauswahl zu optimieren. Stellen Sie sich das maschinelle Lernen als eine Art Kurvenanpassung mit vielen, vielen Variablen vor.“ Er räumt ein, dass dies keine perfekte Analogie ist, aber das Ergebnis ist effektiv ähnlich, da die Kurve – die in diesem Fall eher eine mehrdimensionale Hyperfläche ist – die Korrelationen und Kausalitäten zeigt, die den Weg nach vorne weisen.

Materialien, Verbreitung und Endziel

Die Fertigstellung der zu untersuchenden Materialien ist eine der ersten Aufgaben des ENLIGHTEN-Projekts. „Höchstwahrscheinlich wird Polyamid 6 (PA6, Nylon) für die Automobilindustrie und niedrig schmelzendes Polyaryletherketon (LM PAEK) für die Luft- und Raumfahrt untersucht“, sagt Akkerman. „Wir werden andere Materialien evaluieren und alle verfügbaren Daten prüfen.“ Dies kann zum Beispiel das umfassen, was von anderen Programmen wie MECATESTERS in Clean Sky 2 generiert wurde, das umfangreiche Tests mit kohlenstofffaserverstärktem LM PAEK UD-Band durchgeführt hat. Währenddessen wird das Programm Clean Sky 2 STUNNING beim Zusammenbau der unteren Hälfte des Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD) eine große Menge an Daten zum Ultraschallschweißen generieren. Akkerman weist auf die bei TPRC durchgeführten COMPeTE-Projekte hin, bei denen das Umspritzen für viele verschiedene Materialkombinationen untersucht wurde.

In Bezug auf die Verbreitung der Projektergebnisse wird das ENLIGHTEN-Konsortium jährlich Hauptversammlungen abhalten und die Untergruppen in jedem Arbeitspaket werden sich nach Bedarf treffen, um ihre festgelegten Meilensteine ​​​​zu erreichen. Während des Projektverlaufs werden auf nationalen und internationalen Konferenzen einzelne Präsentationen gehalten und im letzten Jahr des Projekts wird eine eigene Sitzung oder eine vollständige internationale Konferenz organisiert, um die Gesamtergebnisse zu teilen.

Das ultimative Ziel, so Akkerman, sei, für thermoplastische Verbundwerkstoffe das zu erreichen, was die Metallindustrie mit ihrem Materialdesign-Ansatz für monokristalline Metalle beispielsweise in Flugzeugtriebwerken hat. „Ihr Ziel war es, eine Leistung zu erreichen, die für die Zukunft der Flugzeuge notwendig ist. Wir sehen das gleiche Mandat für eine größere Mobilitätsspanne. Wir versuchen, Schweiß- und Umspritzprozesse zu entwickeln, um die Leistung von leichten thermoplastischen Verbundwerkstoffen für Luft- und Raumfahrt- und Automobilstrukturen zu optimieren, aber wir haben immer noch so viel Variabilität. Das Ergebnis sind überhöhte Sicherheitsfaktoren und weniger Effizienz, als die Technologien tatsächlich bieten. Ja, wir haben thermoplastische Verbundteile fliegen, aber es hat 30 Jahre gedauert, bis es so weit war. Europa hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 klimaneutral zu sein – das sind weniger als 30 Jahre. Wenn wir den gleichen Weg gehen, der noch viel Trial-and-Error beinhaltet, werden wir die notwendigen Ziele zur Bekämpfung des Klimawandels nicht erreichen. Wir sehen mit ENLIGHTEN einen anderen, effizienteren Weg und jetzt ist es an der Zeit zu handeln.“