WEAV3Ds automatisiertes Websystem treibt Hochleistungs-Hochvolumen-Composite-Fertigung

Eine langjährige Hürde für die breite Einführung von Verbundwerkstoffen – besonders in der Automobilindustrie – ist der Bedarf an Hochvolumenproduktion und niedrigeren Kosten, als sie mit vielen Composites-Fertigungsverfahren machbar sind. Das Start-up WEAV3D Inc. (Norcross, Georgia, USA) will dies mit kontinuierlichen, thermoplastischen Verbund-Gitterstrukturen lösen, die in einem automatisierten Webprozess hergestellt werden – abfallfrei, kosteneffizient und, so die Prognose, ein Enabler für Hochvolumenfertigung.

Vom Konzept zur Kommerzialisierung

Christopher Oberste, Gründer und CEO von WEAV3D, entwickelte das Konzept während seiner Promotion in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech, Atlanta) 2014. Studien in Polymer- und Faserengineering sowie ein Co-op-Praktikum bei GKN Aerospace North America (Tallassee, Alabama) weckten sein Interesse an Thermoplasten und Hochvolumenprozessen wie Pressformen und Luftfahrtverbunden. Daraus entstand die erste Iteration eines Hochgeschwindigkeits-automatisierten Webprozesses für thermoplastische Verbund-Gitterstrukturen. Mit Unterstützung seines Doktorvaters Dr. Ben Wang beantragte er Fördergelder zur Entwicklung und Kommerzialisierung von der Georgia Research Alliance und dem NSF I-Corps-Programm.

Zwei Jahre lang arbeitete Oberste mit MBA- und Jurastudenten an der Kommerzialisierung durch das Georgia-Tech-Programm TI:GER (Technological Innovation: Generating Economic Results). 2017, mit zusätzlicher Finanzierung durch Megawatt Ventures und einen US Department of Energy Clean Tech University Prize, gründeten Oberste und Co-Founder Lewis Motion, ehemaliger Hubschrauberpilot der US Coast Guard, WEAV3D Inc.; heute beschäftigt das Unternehmen drei Vollzeit- und vier Teilzeitkräfte.

Angesichts der Luftfahrt-Hintergründe von Oberste und Motion war der ursprüngliche Plan, WEAV3Ds Thermoplast-Verbundmaterialien als Verstärkungsstrukturen in Luftfahrtbauteilen zu qualifizieren. Doch im Rahmen des NSF I-Corps-Grants mussten sie 100 Interviews mit potenziellen Industriekunden führen – was sie in eine andere Richtung lenkte. „Wir führten viele Entdeckungsgespräche in der Luftfahrt … hörten aber immer wieder, dass der Weg für Start-ups in die Luftfahrt, besonders mit neuem Fertigungsverfahren, sehr schwer ist. Die Adoptionszeit ist lang und teuer. Viele Firmen sterben, bevor sie den Markt erreichen“, erklärt Oberste.

Nach Gesprächen mit Unternehmen anderer Branchen verschoben sie den Fokus auf Automobil- und Baumärkte. „Sobald wir mit Leuten [in der Autoindustrie] sprachen, erkannten wir einen großen ungedeckten Bedarf: Autohersteller haben drängenden Bedarf an Gewichtsreduktion, sind aber preissensibel. Herkömmliche Composite-Verfahren lieferten nicht das nötige Volumen zu den gewünschten Kosten.“ Von dort entwickelte Oberste seine Technologie zur Ermöglichung von Hochvolumen-Composite-Teilen zu niedrigen Kosten.

Das Ergebnis ist WEAV3Ds geschütztes „Rebar for Plastics“-Konzept. Mittels automatisiertem Web- und Konsolidierungsprozess fertigt WEAV3D dimensionsanpassbare, thermoplastische Verbundgitter, die sich als Verstärkung in Kunststoff- oder Betonbauteile per Pressformen, Spritzgieß-Umformen oder anderen gängigen Hochvolumenprozessen einfach integrieren lassen. Simulationsmodelle zeigen: Automobilbauteile erreichen Performance auf Stahl- oder Aluminiumblech-Niveau, sind aber leichter und 30–75 % günstiger als Composite-Teile aus Organoblech, automatisierter Bandlegung (ATL) oder Handlaminieren.

Der WEAV3D-Prozess

Ausgangspunkt sind Standard-Thermoplast-Unidirektionalbänder (UD). Der Prozess kann jeden Thermoplast und jede Verstärkungsfaser verarbeiten: „Unser Sweet Spot für die meiste Arbeit in Auto- und Bauwesen liegt bei Polypropylen [PP], Polycarbonat [PC], Polyethylenterephthalat [PET] oder Polyamid [PA]. Bei Verstärkungsfasern sind wir agnostisch, Glas- und Carbonfaser sind am beliebtesten.“ Auch leitfähige Metallbänder und Bänder mit eingebetteten Glasfasern wurden getestet.

Der Pilotanlage verarbeitet standardisiert 25 mm (1 Zoll) breite Bänder, kann aber mit Adaptern bis 5 mm (0,2 Zoll) und nach Umrüstung breitere Bänder handhaben. Aktuell können Gitter bis 1,5 m Breite (60 Zoll), bis zu fünf Lagen dick, in beliebiger Länge produziert werden.

Das November-2017-Patent beschreibt das WEAV3D-System als „Maschine zur kontinuierlichen Fertigung eines gewebten Verbunds mit steuerbarer interner Geometrie“. Von Spulen auf der Maschine werden UD-Bänder in ein Array unabhängig steuerbarer Kettköpfe eingefädelt. Jeder Kopf enthält mehrere Bandkanäle, die einen Kettenschacht bilden – den Raum für die Schussbänder. Ein Einlegerstapel führt UD-Bänder in Schussrichtung durch den Kettenschacht, um ein Verbundgewebe zu bilden. Das gewobene Gitter wird unter Infrarotlicht und durch Kompressionswalzen gezogen, um die Bandlagen an den Kreuzungspunkten zu konsolidieren und zu verbinden. Je nach Kundenwunsch wird das Ergebnis als Flachplatte, Rolle oder mit Zuschnitt/Vorformung geliefert.

Ein entscheidender Vorteil ist die hohe Einstellbarkeit der Gitterstruktur für verschiedene Anwendungen: Mischen verschiedener Materialien an unterschiedlichen Stellen, Anpassen der Dichte (Abstand zwischen Bändern). „Wir können die Gitterstruktur für die Endproduktanforderungen optimieren und dabei Gesamtkosten minimieren.“

Beim Kunden angekommen, lassen sich die Gitter in Polymerbetonbauteile integrieren, pressformen, thermoformen oder spritzgieß-umformen zum finalen Auto-Composite-Teil. Der Prozess erlaubt unterschiedliche Komplexitätsgrade: Für einfache Teile Kombination mit Laminierung und Thermoformen als Co-Forming-Schritt. Für mittlere Komplexität Co-Forming oder Vorformen im Pressformen (Thermoplast- oder SMC-Pressformen). Für hochkomplexe Teile Vorformen des Gitters in die benötigte Form, Einlegen in Werkzeug und Spritzgieß-Umformen.

„Unser Fokus im Composites-Ökosystem: Wir sind Gamechanger für Hochvolumenproduktion“, betont Oberste. Das genaue Volumen hängt von der Anwendung ab; für gitterverstärkte Autotürverkleidungen schätzt er 200.000 bis 500.000 Einheiten pro Jahr pro Maschine.

Zudem zeigen WEAV3D-Produkte verbesserte mechanische Eigenschaften bei Verstärkung von Composite- oder Kunststoffteilen. „Kombination eines WEAV3D-Gitters mit bestehenden Kurzfaser-Kunststoffen oder Langfaser-Composites kann Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit signifikant steigern“, so Oberste – der Zuwachs variiert stark nach Material und Design. „In manchen Anwendungen erlaubt die gesteigerte Performance erhebliche Reduktion von Wandstärken oder Rippen – was Gewichtsreduktion bedeutet.“

Bewehrte Betontrenzen: Erste kommerzielle Anwendung

Jahrelang lag der Fokus auf Automobilindustrie, doch Oberste sieht Potenzial in Luftfahrt-Innenraum, unbemannten Verteidigungsflugzeugen, Schiene, Frachttransport und Marine.

Die erste kommerzielle Anwendung (November 2020) war im Bauwesen: Glasfaser/PET-Verstärkungen für ein Polymerbeton-Trensystem von Oldcastle Infrastructure (Atlanta, Georgia). Das System für Kabelverlegung in Städten, Bahnhöfen, Industrieanlagen muss 16.000-lb-Lasten standhalten. Bisher wurden kundenspezifisch geschweißte Stahlkäfige in den Beton eingebettet – teuer in der Fertigung und nicht immer passgenau für verschiedene Trassengrößen und Entwässerungslöcher. „Mit unserem Prozess konnten wir die Gittergeometrie optimieren – z. B. Verstärkung um Ablauflöcher am Trassenboden und an den Enden für Schlagschutz beim Handling“, sagt Oberste.

Eine Herausforderung war die Identifikation eines Thermoplastbandmaterials, das eine echte Klebverbindung zum Polymerbeton bildet – statt nur mechanischer Verzahnung wie bei Stahl. Das gewählte Polyethylenterephthalatglycol (PETG) bildet eine echte Klebschnittstelle, verbessert Spannungsübertragung und verringert Bruchgefahr. „Selbst bei Bruch breitet sich der Riss weitaus seltener aus, da er die Klebschnittstelle überwinden muss.“

WEAV3D fertigt die Gitter als U-Kanal-Vorform, die Oldcastle in eine Gussform legt, mit Polymerbeton übergießt, aushärten lässt und entformt – fertig ist der bewehrte Betontrichter.

Im Bauwesen plant WAV3D Expansion in weitere Polymerbeton-Anwendungen wie Schächte und Deckel. Oktober 2020 erhielt WEAV3D gemeinsam mit Western Ontario University und Entuitive einen Grant des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada zur Erforschung von WEAV3D-Gittern als Bewehrung in herkömmlichem Portlandzementbeton – Ziel: Bewehrung für nicht-residentielle Bodenplatten und Fassaden.

Next-Generation WEAV3D: Automobile Geschwindigkeiten

Eine nächste Maschinen-Generation für Automobilfertigung ist mit NSF-Forschungsförderung in Entwicklung – voraussichtlich 2022 verfügbar. Verbesserungen zielen auf Verdreifachung der Produktionsgeschwindigkeit: Ersatz von IR-Heizung und Kompressionswalzen durch effizienteres Ultraschallschweißen.

Gleichzeitig führt Oberste Gespräche mit US- und europäischen Tier-1s und OEMs über WEAV3D-Produkte zur Verstärkung von Kunststoffplatten – von Innenbauteilen bis Pickup-Heckklappen. „Ziel: Gitter als strukturelles Skelett in gespritzte Kunststoffkomponenten integrieren, um Festigkeit und Steifigkeit zu verbessern und metallische Halter und Steifen zu ersetzen.“ Demonstratoren für Karosserieplatten und andere Komponenten sind in Arbeit.