Zukunft der Composite-Fertigung: Synergie aus AFP und Additiver Fertigung

„Overprinting“ auf vorgefertigte CFK-Oberflächen und -Brackets (oben links), Hybridisierung von Prozessen wie 3D-Druck und Filamentwickeln (oben rechts), 3D-Druck von Kernen auf AFP-Laminate und AFP-Skins auf 3D-gedruckte Kerne (unten rechts) sowie CEAD AM Flexbot 3D-Druck unter 45 Grad (unten links). Foto: TU München, Lehrstuhl für Carbon Composites

Im September besuchte ich das virtuelle Symposium „FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP & AM“ (Automated Fiber Placement und Additive Manufacturing), veranstaltet vom Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC) an der Technischen Universität München (TUM, Deutschland). Forschungspartner war die Australian National University (ANU, Canberra). Das Symposium beleuchtete Composite-F&E-Kapazitäten an TUM und ANU sowie abgeschlossene und laufende Projekte mit Industriepartnern: AFPT, Airbus, BMW, CEAD, DLR, Fraunhofer, GKN Aerospace, INOMETA, SGL Carbon, Victrex.

TUM-Kollaboration mit ANU begann 2010 mit AutoCRC-Projekt: CNG-Speichertanks aus thermoplastischen Composites. Gemeinsame F&E seither fortgesetzt, u.a. Gründung des Australian Research Council's Centre for Automated Manufacture of Advanced Composites (AMAC) und drei Hauptfokusbereiche an ANU:

• Materialverbesserung
  • Nano-Skalen-Materialien und -Beschichtungen für funktionale Eigenschaften von Carbon-Composites
  • Graphen-verstärkte Prepreg-Tapes für thermische und elektrische Leitfähigkeit
• Laser-AFP
  • Projekt mit Ford: composite-verstärkter Stahl
  • Digitale Kontrolle von Heizbias, z.B. Prozessstabilität für Ecken/3D-Geometrien
• Fortgeschrittene Diagnostik mit Röntgen-CT

Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler (TUM) diskutierte Gemeinsamkeiten zwischen Material Extrusion (MEX), dem gängigsten 3D-Druckprozess für faserverstärkte Composites, und AFP ISC (In-Situ Consolidation):

• Lokale, wiederkehrende Wärmebehandlung
• Schichtbasiertes Design & orthotrope Materialeigenschaften
• Materialablage entlang programmierter 2D- & 3D-Pfade mit thermischer Aktivierung zwischen Lagen

Drechsler skizzierte zukünftige Composite-Bedarfe und wie AFP-MEX-Kombination Lösungen bietet: kurzfristig im Werkzeugbau, langfristig in hochleistungsfähigen, leichten Strukturen, die kosteneffizient und ökologisch nachhaltig sind.

Zu LCC-Kapazitäten: Überblick über MEX-Equipment sowie vergangene/laufende F&E-Projekte in additiver Fertigung.

Zu ISC AFP: jüngste und laufende Entwicklungen am LCC:

• Wickelkopf für Druckbehälter (z.B. Wasserstoffspeicher)
• Closed-Loop-Kontrolle Laserstrahlheizung
• Flüssigkeitsgekühlte Walze zur Konsolidierung
• Tape-Charakterisierung zur ISC-Optimierung

LCC-Entwicklungen in MEX und 3D-Druck wurden in weiteren Präsentationen über zwei Tage vertieft.

CEAD und großformatiger 3D-Druck

Nach Drechslers Keynote präsentierte Maarten Logtenberg, Executive Director von CEAD (Delft, Niederlande). Gegründet 2014, vertreibt CEAD kommerzielle Systeme basierend auf Continuous Fiber Additive Manufacturing (CFAM) – als Gantry-basierte Zelle (CFAM Prime) und Roboter-System (AM Flexbot). LCC besitzt Letzteres und arbeitet an mehreren Projekten (siehe CW-Artikel zu CEAD und TUM LCC).

Highlights: CEAD entwickelt Hybridlösungen integrating CNC-Fräsen, große beheizte Druckbetten (1,2 m x 3 m und 1,2 m x 2 m) und beheizte Rotationsdruckbetten. Verfolgung größerer Zellen und 45-Grad-Druck sowie 3D-Druck faserverstärkter Werkzeuge für Serien-Autoklavfertigung kommerzieller Flugzeugteile.

Logtenberg: Hauptproblem 3D-gedruckter Autoklavwerkzeuge ist thermische Ausdehnung – Werkzeuge > 4 m dehnen zu stark aus (siehe „Hybrid, large-format additive tooling“), Kompensation via Werkzeugdesign schwierig. Lösung: Ersetzen der bisher meist genutzten Kurzfaserverstärkung durch Continuous Fiber, abgelagert durch Systeme wie AM Flexbot.

Dieser Weg wurde in der Präsentation „Introduction of 3D-printed Track Intensifiers for Composite Flap Production“ von Thomas Herkner (GKN Aerospace, München) bekräftigt. 3D-gedruckte CFK-Intensifier als Werkzeug für CFK-Landeklappen Airbus A350/A330. Erfolgreiches Programm nutzte Kurzfaserverstärkung, aber Roadmap zeigt Weiterentwicklung: Continuous Fiber in 3D-gedrucktem Werkzeug und schließlich in Flugzeugbauteilen selbst.

LCC-Forscher Patrick Consul erklärte dies in einem aktuellen CW-Blog und präsentierte auf dem Symposium: Prozessdesign für großskaligen, extrusionsbasierten AM. Diskussion, wie Glas- und Phasenübergänge die größten Materialeigenschaftsänderungen bei kurzfaserverstärkten Pellets darstellen, die in 3D-Drucksystemen wie CFAM/AM Flexbot geschmolzen und extrudiert werden.

Consuls Arbeit analysiert, wie MEX-Parameter (Polymer-Viskosität, Extrusionstemperatur, Drehmoment) Kristallinität im gedruckten Composite beeinflussen, was wiederum Layer-to-Layer-Bonding beim 3D-Druck beeinflusst. Zusätzlich Faserausrichtung und Eigenspannungen in gedruckten Lagen. Eine Lösung: Laser-Vorheizen des Substrats beim Drucken – weit verbreitet in ISC AFP thermoplastischer Composites – Wissenstransfer von AFP zu AM. Erste Experimente mit Ring steuerbarer Laserdioden.

Consuls Kollege Matthias Feuchtgruber präsentierte später: von Prozessdesign und Materialcharakterisierung zur virtuellen Prozesskette für Composites AM.

Alexander Matschinski präsentierte Integration endloser Fasern in Composites AM, zeigte Chart, das Basis für amendierten Chart in CW's Next-Gen Supplement zu Continuous Fiber 3D Printing wurde. Diskussion: Design von Continuous Fiber AM Strukturen, zukünftige Entwicklung von „Overprinting“ auf vorgefertigte CFK-Teile und -Oberflächen.

Dr. Christopher Ebel (SGL Carbon) zeigte weitere Continuous-Fiber-Anwendungen: Verstärkung Stahl-Unterbodentragstrukturen Automotive – Bauteilanzahl 37 auf 9 reduziert, Gewicht -41 %. Konzept: 3D-Wickeln mit Towpreg, imprägniert mit Snap-Cure-Epoxidharz für lastoptimierte Strukturen. Digitaler Ansatz: Vereinfachung komplexer Lasten, Topologieoptimierung, automatisierte Fertigung. Resultierende Teile nutzen Formschluss von Inserts in Strukturen, Lastintroduktion ohne Steifigkeitsverlust. Neueste 3D-Metalldruckprozesse für solche Inserts – weitere Optimierung Lastführung, Kostensenkung.

Sebastian Nowotny (DLR) diskutierte Kombination 3D-Druck mit ISC AFP thermoplastischer Composites: 3D-Druck auf AFP-Laminate, AFP auf teilweise offene 3D-gedruckte Strukturen. Erste Experimente: 3D-Druck Kern auf vorgefertigte CFK-Haut, dann AFP/Tape-Laying auf 3D-gedruckten Kern. Proben gefertigt, Zugscherfestigkeitstests zur Haut-Kern-Bonding-Evaluation.

Bildergalerie: Hybrid 3D-Druck/AFP-Proben, Zugscherfestigkeitstests, CEAD, zukünftige CT-Anwendung in Composite-Produktion, Laser-AFP für Hybrid CFK-Metall-Strukturen, Graphen-Prepreg-Tapes.

Christian Weimer (Airbus Central Research & Technology) diskutierte Continuous Fiber Printing als Teil sich wandelnder Technologielandschaft: Gewichtsreduktion bei Kostensenkung und erhöhter Nachhaltigkeit für Composites in zukünftigen Flugzeugen. Effiziente 3D-Composites erfordern:

• Richtige Rohmaterialien und Halbzeuge – Fasern, Halbfabrikate
• Effiziente Prozesse und Interfaces – AM Thermoplaste, Spritzguss
• Adaptiertes Design und Sizing – integral, voll 3D-lastoptimiert
• Oberfläche und Funktionalität – ESN (Electronic Serial Number), SHM (Structural Health Monitoring)

Zudem Bedarf an biobasierten Fasern und Harzen für dringende Klima- und Umweltziele.

TUM-Symposium bot viele weitere Präsentationen, u.a. Zusammenfassungen der ANU-Arbeiten – alle sehr interessant, zeigen, wie Composites voranschreiten und wie LCC mit Partnern weltweit visioniert, was Composites erreichen können, und die Industrie vorantreibt.