ENLIGHTEN-Initiative beschleunigt industrielle Adoption von Thermoplast-Composites

Je leichter ein Fahrzeug, desto weniger Kraftstoff verbraucht es und desto weniger CO₂ wird emittiert. Leichte, aber für Passagiersicherheit ausreichend starke Materialien sind bei Auto- und Flugzeugherstellern beliebt. Thermoplastische Composites – faserverstärkte Kunststoffe, die bei Erwärmung erweichen – sind leicht, stark, gut verarbeitbar und recyclingfähig. Bestimmte Bauteile in Flugzeug-Rümpfen und -Flügeln werden bereits daraus gefertigt. Doch breitere Anwendung steht noch aus.

Ziel von ENLIGHTEN – Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes – ist es, einen Weg zu finden, zuverlässige Gesamtstrukturen aus diesem Material vorhersehbar, reproduzierbar und kosteneffizient zu fertigen. Dieses 6-Millionen-Euro-, fünfjährige Projekt wird von der Universität Twente (UT, Twente, Niederlande) und Dr. Remko Akkerman, Wissenschaftler an UT und dem ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Twente), im Rahmen des niederländischen Perspective-Programms gestartet. Dieses fordert Wissenschaftler auf, innovative neue Forschungslinien mit echtem wirtschaftlichem und gesellschaftlichem Impact zu etablieren. Initiiert vom Dutch Research Council (NWO) und dem Ministerium für Wirtschaft und Klima, entstehen sechs Perspective-Konsortien in den Niederlanden, mit 138 Unternehmen und Organisationen, die 10 Mio. € Eigenmittel zu den 22 Mio. € staatlicher Förderung beisteuern.

Multi-Skalen-Details entwickeln

CW sprach mit Akkerman, um ENLIGHTEN besser zu verstehen. „CompositesWorld-Leser kennen die TPRC-Arbeit: schnelle Thermoplastverarbeitung – Schweißen, Umformen, Recycling“, sagt Akkerman. „Wir haben viele Ergebnisse zu Material, Prozess, Performance veröffentlicht. Aber wie beeinflusst der Prozess Faser-Matrix-Verteilung und Porosität im Composite? Wie wirkt sich das auf mechanische Performance aus? Wie beeinflussen diese Prozesse Rissinitiation und -wachstum im Betrieb? Diese Aspekte müssen verstanden werden, um Thermoplast-Composites für breitere industrielle Nutzung zu reifen.“

Deshalb ist ENLIGHTEN so umfangreich mit Spezialisten für Polymere, Composite-Mikromechanik, multiskalige digitale Modellierung und Data Science. „Unser Ziel: Wissen entwickeln, um Thermoplast-Composite-Prozesse für optimierte Performance zu optimieren“, so Akkerman. „Wir integrieren auch Prozessmonitoring – weil Materialqualität von Prozesskontrolle abhängt – und Machine Learning zur Beschleunigung dieser Optimierung.“

ENLIGHTEN umfasst alle drei technischen Unis der Niederlande (UT, TU Delft, TU Eindhoven) sowie Unternehmen entlang der Auto- und Luftfahrt-Lieferketten – OEMs, Tier-Zulieferer, KMUs. Auch Organisationen außerhalb der Niederlande sind involviert: University of Warwicks WMG Centre for High Value Manufacturing im UK CATAPULT-Programm und Jaguar Land Rover, Tochter von Tata Motors (Mumbai, Indien).

Dieses Mikrofoto zeigt Faser-Migration über der Schweißnaht zwischen einem kontinuierlich faserverstärkten Rohling und dem kurzfaserverstärkten Spritzgieß-Umformteil. Wie dies Festigkeit und Performance beeinflusst, ist eine von vielen ENLIGHTEN-Fragen.

„Wir untersuchen Induktions- und Ultraschallschweißen sowie Umformen, das ebenfalls eine Schweißnaht hat – alle involvieren dieselben physikalischen Phänomene, aber bei unterschiedlichen Raten“, merkt Akkerman an. „Alle Phänomene zu Faserbewegung, Spannung und Rissinitiation gelten hier ebenfalls.“ Aber werden thermoplastisch geschweißte Composite-Strukturen nicht seit über 30 Jahren in Verkehrsflugzeugen eingesetzt? „Ja, aber keine nutzt Induktions- oder Ultraschallschweißen mit UD-Bändern“, weist er hin, „was schwerer zu verstehen und zu kontrollieren ist, aber ökonomischer, wenn wir die Prozesse vollständig vorhersagen können.“

Multiskalen-Modellierung und physikalische Tests spielen Schlüsselrolle. „Man kann ein Composite nicht verstehen, ohne den Fertigungsprozess zu betrachten“, sagt Akkerman. „Durch digitale Modellierung formulieren wir Hypothesen und validieren parallel durch Experimente. Beispiel: Bildung kristalliner Strukturen auf Mikroebene, Faserbewegung beim Schweißen auf Mesoebene, Interaktion dieser Phänomene für Spannungsentwicklung, Mikrorisse und ultimative Lasten auf Makroebene. Diese tiefe, kombinierte Untersuchung habe ich in unserer Branche noch nicht gesehen.“

Wo kommt Machine Learning ins Spiel? „Jedes Analyseelement in Arbeitspaketen 1 und 2 dauert Stunden und muss für jedes spezifische Material, Teil und Prozess wiederholt werden. Für Optimierung über alle Skalen und Modelle bräuchte es tausende Stunden. Dabei sammeln wir Daten, wie alle Phänomene zusammenhängen. Wir können dann neuronale Netze trainieren, Verbindungen in diesen Daten zu erkennen – voll im Einklang mit der zugrundeliegenden Physik.“

Zum Arbeitspaketumfang erklärt er: „Es wird Verbindungen von links nach rechts und oben nach unten geben. Ziel: Algorithmen entwickeln, die allgemein, flexibel anwendbar sind, ohne jedes Mal von vorne zu beginnen. Diese Algorithmen wenden sich auf Ihr gegebenes Teil an, helfen Prozessparameter und Materialwahl zu optimieren. Machine Learning als eine Art Kurvenanpassung mit sehr vielen Variablen – keine perfekte Analogie, aber das Ergebnis ist effektiv ähnlich: die Kurve – eher ein mehrdimensionaler Hyperflächen – zeigt Korrelationen und Kausalitäten, die den Weg weisen.“

Materialien, Dissemination und ultimatives Ziel

Materialfestlegung ist eine der ersten ENLIGHTEN-Aufgaben. „Wahrscheinlich Polyamid 6 (PA6, Nylon) für Auto und Low-Melt Polyaryletherketon (LM PAEK) für Luftfahrt“, sagt Akkerman. „Wir evaluieren andere Materialien und alle verfügbaren Daten.“ Z. B. Daten aus MECATESTERS in Clean Sky 2, das signifikante Tests mit Carbonfaser-verstärktem LM PAEK UD-Band durchgeführt hat. Clean Sky 2 STUNNING wird große Datenmengen zu Ultraschallschweißen beim Zusammenbau der unteren Hälfte des Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD) generieren. Akkerman verweist auf COMPeTE-Projekte am TPRC, die Umformen für viele Materialkombinationen untersucht haben.

Zur Ergebnisverbreitung: jährliche Generaltreffen, Untergruppen treffen sich nach Bedarf. Einzelne Vorträge auf nationalen/internationalen Konferenzen während des Projekts; im finalen Jahr eine dedizierte Session oder volle internationale Konferenz für Gesamtergebnisse.

Das ultimative Ziel, so Akkerman: für Thermoplast-Composites das erreichen, was die Metallindustrie mit ihrem Materialdesign-Ansatz für einkristalline Metalle in Triebwerken hat. „Deren Ziel war Performance für die Zukunft der Luftfahrt. Wir sehen denselben Auftrag für breitere Mobilität. Wir designen Schweiß- und Umformprozesse zur Optimierung der Performance leichter Thermoplast-Composites für Luftfahrt- und Auto-Strukturen – aber wir haben noch so viel Variabilität. Resultat: übermäßige Sicherheitsfaktoren und geringere Effizienz als die Technologien eigentlich bieten. Ja, Thermoplast-Composite-Teile fliegen, aber es dauerte 30 Jahre. Europa will bis 2050 klimaneutral – weniger als 30 Jahre. Bleiben wir auf demselben Pfad mit viel Trial-and-Error, erreichen wir die Klimaziele nicht. Wir sehen einen effizienteren Weg via ENLIGHTEN – und jetzt ist Zeit zu handeln.“