Fortschrittliche Composite-Isogrid-Strukturen durch modernste Ablagerungs-Technologie

Der Maschinenbauer COMEC (Chieti, Italien) hat mit Unterstützung der Composite-F&E-Organisation CETMA (Brindisi, Italien) Composite-Isogrid-Strukturen mittels einer innovativen Ablagerungs-Technologie hergestellt. Dies wurde im Forschungsprojekt „Studie innovativer Produkt- und Prozesslösungen basierend auf der industriellen Nutzung fortschrittlicher Materialien“ entwickelt, gefördert von der Region Abruzzen im Rahmen des „POR FESR Abruzzo 2014-2020“ Programms.

Isogrid-Strukturen und Hybridwerkzeug

Isogrid-Strukturen finden in vielfältigen Anwendungen und Konfigurationen Verwendung. Sie bestehen typischerweise aus einer dünnen Außenhaut, die integraler mit einem verstärkenden Gitter verbunden ist. Die Wiederholung der Verstärkungselemente ermöglicht eine effiziente Lastverteilung, was sie unempfindlicher gegen Schäden durch Aufprall, Delamination und Defektfortpflanzung macht. Bei dreieckigem Gitterverlauf ähnelt das mechanische Verhalten dem eines isotropen Materials. Das Design erfordert eine Hybridform aus einem externen Aluminiumteil und einer internen Teflon-Form mit dem Negativ der Isogrid-Struktur, auf der das noch nicht konsolidierte Towpreg-Material abgelegt wird. Die Hybridform ist nötig für optimale Kompaktierung des Towpreg-Layups – durch Ausnutzung des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von Teflon, während gleichzeitig eine starre externe Aluminium-Halteform geboten wird.

Ablagerungs-Technologie

Die von COMEC entwickelte Ablagerungs-Technologie besteht hauptsächlich aus zwei Elementen: einem Sechs-Achs-Roboter und einem Towpreg-Ablagerungskopf. Die Lösung nutzt einen anthropomorphen Roboter mit sechs Freiheitsgraden, drei für den Arm zur Positionierung des am Handgelenk verbundenen Ablagerungskopfs und drei für das Handgelenk selbst zur Orientierung des Kopfs. Der vorgeschlagene Ablagerungskopf führt trockenes Tow zu, das durch ein Inline-System mit Harz imprägniert wird. Die Imprägnierung erfolgt im Ablagerungskopf durch Integration einer Einheit, die die Fasern in-situ mit Harz benetzt. Das Inline-Imprägnierungssystem reduziert Kosten – das Halbzeug ist teurer als die hier verwendete trockene Verstärkung und erfordert gefrorene/kalte Lagerung, was bei trockenen Fasermaterialien entfällt.

Das Ende des Ablagerungskopfs ist der letzte Bereich, durch den das Tow vor der Ablage läuft. Das aus dem Ablageauge kommende Tow ist imprägniert und wird auf die Oberfläche der Hybrid-Isogrid-Form abgelegt. Zur Sicherung guter Kompaktierung der Composite-Lagen wird eine Walze verwendet, die適切な Druck auf das neu imprägnierte und positionierte Tow ausübt.

Konsolidierung und Potenzial

Nach der Ablage der Towpreg-Lagen in der Teflon-Form führte CETMA den Konsolidierungsprozess durch, wobei die externe Aluminiumform in einer Heißpresse verwendet wurde. Der Polymerisationszyklus hängt vom verwendeten Harz ab. In diesem Fall ist das Harz Epoxid und die vollständige Polymerisation erfordert 120 °C.

Isogrid-Strukturen aus Composites stellen eine potenziell attraktive Alternative zu Sandwichstrukturen in feindlichen Umgebungen dar. Ihre flexible Konfiguration ermöglicht Hochleistungsanwendungen in diversen Branchen. Dank der Vielseitigkeit der von COMEC entwickelten Imprägniermaschine, die praktisch mit jeder Faser/Matrix-Kombination genutzt werden kann, können Isogrid-Strukturen mit unterschiedlichen Composite-Materialien problemlos produziert werden.

CETMA unterstützte diese Entwicklung gerne, und das COMEC F&E-Team schätzte CETMAs Beiträge: „Die Zusammenarbeit mit CETMA hat das Wachstum des Know-hows und die Festigung einer zunehmend starken, innovationsorientierten Partnerschaft ermöglicht.“