CETMA: Italiens führendes Composite F&E- & Innovationszentrum

Gegründet 1994, ist das Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali (CETMA, Brindisi, Italien) eine der größten unabhängigen Forschungs- und Technologieorganisationen Italiens mit einer 4.000 m² Anlage und 75 Mitarbeitern. Seit über 20 Jahren investiert CETMA stark in Composites, was in einem breiten Expertenspektrum resultiert:

• Komponentendesign und Prototyping
• Neue Composite-Prozesse
• Recyclingprozesse für Composites und Kunststoffe
• Prozessoptimierung für Kosten, Nachhaltigkeit, Rate etc.
• Echtzeit-Prozessüberwachung
• Zerstörungsfreie Prüfung (NDT)
• Structural Health Monitoring (SHM) in Echtzeit und remote während Produktion und Betrieb
• REACH-Beratung
• Thermoplast-Stampformen, Continuous Compression Molding (CCM) und Prepreg Compression Molding (PCM)
• Flüssiginfusion, Resin Transfer Molding (RTM) und Same Qualified RTM (SQRTM)
• Out of Autoclave (OOA) Prepreg
• Induktionsschweißen

CETMAs Hauptziel ist die Unterstützung von Unternehmen und Innovation. Bedient von vier Hauptlaboren, sind CETMAs Composite-Aktivitäten in seiner Advanced Materials and Processes (AMP)-Abteilung organisiert, die auch vier Bereiche umfasst:

• Materialien und Charakterisierung
• Technologien und Prozesse
• Modellierung und Simulation
• Diagnostik und Structural Health Monitoring

AMP beschäftigt 30 Mitarbeiter einschließlich Material-, Luftfahrt-, Bau- und Chemieingenieuren sowie einem Chemiker, Materialwissenschaftler, Architekten und mehreren Technikern – gemäß dem Glauben an multidisziplinäre Teams.

Stärke in Thermoplast-Composites

„Wir bieten ein vollständiges Spektrum an Services in Composites“, merkt Alessandra Passaro, Leiterin der AMP-Abteilung bei CETMA, an, „aber unsere Aktivitäten in Thermoplast-Materialien sind derzeit einer unserer Schwerpunktbereiche. Alle verschiedenen Arten von Thermoplast-Matrixpolymeren wurden in unserem Labor verarbeitet. Wir begannen 2004 mit TWINTEX Commingled Faser und vor etwa 15 Jahren mit Pressformen mittels einfacher Presse. Nun haben wir patentierte Continuous Compression Molding (CCM) und Induktionsschweißtechnologien entwickelt. Wir haben alle Thermoplast-Composite-Materialien analysiert, die in diesen Prozessen verwendet werden können.“

Die CCM-Linie kann Konstantquerschnittsbauteile mit PPS, PEEK, PEKK oder PAEK fertigen. Wie unterscheidet sich der CETMA-Prozess von dem, was Unternehmen wie XELIS (Markdorf, Deutschland) und ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, USA) nutzen? (Siehe CW-Artikel: „Aerospace-grade compression molding“ und „Accelerating thermoplastic composites in aerospace“.) Passaro erklärt: „Es gibt spezifische Details im Design der von uns verwendeten Form. Unsere Technologie ist flexibler bezüglich Geometrien und Matrixmaterialien, die verwendet werden können. Sie ist noch in Entwicklung. Obwohl patentiert, wird die Technologie noch entwickelt und einige Aspekte sind proprietär. Der Grund, warum CETMA CCM verfolgt hat, ist es nicht. „Wir sahen die erhöhte Nutzung und den Bedarf an kontinuierlichen Thermoplast-Composite-Prozessen“, sagt Passaro. „XELIS ist ein Produktunternehmen, kein Maschinenlieferant. Wir sind eine unabhängige F&E-Organisation und investieren und entwickeln die Technologie daher aus einer anderen Perspektive.“

Ein Beispiel hierfür ist die umfangreiche Prozesssimulation zur Analyse der Temperaturverteilung in der Form. „Die Simulationsergebnisse lassen uns ein vollständiges Bild der Temperaturevolution im Material über die Zeit haben“, erklärt sie, „was inline von einer Seite sehr schwer zu überwachen ist, und doch entscheidend für die Minimierung von Defekten im Composite ist.“

Induktionsschweißen für Montage

Ein weiterer Schlüsselaspekt von CETMAs Thermoplast-Composite-Expertise ist die patentierte Induktionsschweißtechnologie, die ein Kontrollsystem und Kühlung umfasst, um Hitze in der Schweißnaht zu halten. CETMA nutzte die Technologie mit Partner EURECAT (Barcelona, Spanien) zur Montage von CCM-Profilen und -Platten zu einem Thermoplast-Composite-Kielbalken für ein Airbus A320-Typ-Flugzeug im Clean Sky 2 KEELBEMAN-Projekt. Mein Jan-2020-Blog „Advancing thermoplastic composites and RTM for Clean Sky 2…“ gibt mehr Details zu diesem Projekt sowie den Details von CETMAs Schweißen.

„Wir haben zwei Typen von Induktionsschweißsystemen entwickelt“, merkt Passaro an. „Eines ist eine stationäre Maschine für flache Oberflächen und eines roboterbasiert für komplexe 3D-Geometrien. Beide ermöglichen kontinuierliche Schweißnähte im industriellen Maßstab ohne zusätzliche Materialien in der Schweißnaht, liefern aber sehr hohe Haftleistung in Baugruppen.“

CETMA hat Induktionsschweißen an Composite-Laminaten demonstriert, hergestellt mit Carbonfaser-Gewebe und unidirektionalem (UD) Band sowie einer Reihe von Matrixmaterialien: PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 und einem hybriden Duroplast-Epoxid/PVB (Polyvinylbutyral) Thermoplast-System.

Es hat auch seine Expertise in Computermodellierung und Simulation auf den Induktionsschweißprozess angewendet. „Dies ermöglicht uns, die Temperaturevolution im Fügebereich während des Schweißens vorherzusagen, was eine fundamentale Hilfe bei der Optimierung der Prozessparameter bietet“, sagt Passaro.

Clean Sky 2 und Composite F&E-Projekte

Zusätzlich zu KEELBEMAN ist CETMAs AMP-Abteilung derzeit an vier weiteren Clean Sky 2 Projekten beteiligt.

TRINITI – Multi-Material Thermoplastische Hochdruck-Stickstofftanks für Flugzeuge (JTI-CS2-CFP09-2018-02). Das zweijährige Projekt, das 2019 begann, zielt darauf ab, einen Prototyp-Flugzeugtank für Langzeitlagerung von Stickstoff für Feuerlöschzwecke zu bauen. Diehl Aviation (Gilching und Dresden, Deutschland) ist Topic Manager. Partner umfassen auch Luftfahrt-F&E-Labor Novotech s.r.l. (Neapel, Italien), Composites Testing Laboratory (Inverin, Co. Galway, Irland). Das Projekt wird Multi-Material-Thermoplast-Composite-Tanks durch Kombination von Prozessen wie Koextrusion zur Bildung eines Mehrschicht- und Multifunktions-Liner/Laminats, gefolgt von In-situ-Konsolidierung (ISC) mittels Laser-unterstützter Automated Fiber Placement (AFP) fertigen. (Mehr zu ISC AFP siehe „Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Part 1 and Part 2“.) Ein Ziel innerhalb TRINITI ist die Reduktion oder gar Eliminierung von Mikrorissen in kryogenen Umgebungen. Derzeit arbeitet CETMA daran, alle Thermoplast-Materialien zu identifizieren, die die Anforderungen an Luftfahrt-Druckbehälter erfüllen können.

SPARE – Full Scale Innovative Composite Pax und Cargo Floor Grids für Regional Aircraft Fuselage Barrel On-Ground Demonstrators (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14). Gestartet Okt 2018, zielt dieses 18-Monats-Projekt darauf ab, volle-Skala Passagier- und Frachtbodenroste aus Carbonfaser-verstärkten Thermoplast (TP) Composites zu fertigen. Die hochautomatisierte Produktion umfasst progressives Rollformen und Induktionsschweißen für Montage. Ziel ist Gewichts- und laufende Kostenreduktion im Vergleich zu traditionellen Metall- und Duroplast-Composite-Lösungen. Die Composite-Bodenroste werden in die Clean Sky 2 Regionalflugzeug-Rumpf-Demonstratoren für Bodentests montiert und auf technischen und wirtschaftlichen Einfluss sowie Flammwiderstandsleistung gemäß FAR 25.853 Vorschriften evaluiert. Topic Leader ist Leonardo, während CETMA das Projekt in Zusammenarbeit mit Maschinenhersteller OMI S.r.l. (Fogliano Redipuglia, Italien) koordiniert.

Einer von CETMAs Hauptbeiträgen zu SPARE ist die Entwicklung von Infrarot-Thermografie (IRT) für Inline-Überwachung des progressiven Rollformens. Dieser Prozess unterzieht Rollen von TP-Composite-Laminat Kompaktion und Erhitzung, bis Material-Prozesstemperatur, komplexe Form und Designdicke erreicht sind. „Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass die innersten Lagen vollständiges Schmelzen der Matrix und Konsolidierung erfahren“, erklärt Passaro. „Zudem gibt es ein enges Temperaturfenster, das Schmelzen gewährleistet, aber den Polymer nicht degradiert. IRT ist eine berührungslose Methode, die abgestrahlte Wärmeenergie über die Bauteiloberfläche mit hoher Genauigkeit misst.“

CETMA nutzte Fenster aus Zinkselenid (ZnSe), um in das geschlossene Equipment hineinzusehen. Transparent für IR-Wellen, performen sie bei Temperaturen bis 500 °C. Zwei solche Fenster wurden in der SPARE-Projekt progressiven Rollformlinie mit IRT-Kameras darüber konstruiert, um einen nahezu senkrechten Blick auf das verarbeitete Material zu haben. Editierbare Steuerungssoftware ermöglichte Überwachung, Aufzeichnung und Alarm, wenn Werte außerhalb des definierten Zielbereichs fielen.

Uniformität der Materialtemperatur durch den Profilquerschnitt wurde an den zwei Grenzpunkten evaluiert – Linie 1 nahe am Heizschritt und Linie 2 weiter entlang des Formprozesses. Jede wurde in 3 aufeinanderfolgende Schritte unterteilt (Abb. 19): Initialphase (Schritt 1), Formprozess gestartet (Schritt 2) und Formen mit reduzierter Geschwindigkeit (Schritt 3). IRT zeigte, dass die Temperatur an den äußeren Rändern des Laminats niedriger war als im zentralen Bereich, was zu ungleichmäßiger Erwärmung und mechanischen Eigenschaften führte. Eine 3D-Darstellung der IRT-aufgezeichneten Oberflächentemperaturen (Abb. 20) bot eine visuelle Hilfe zum besseren Verständnis der Temperaturverteilung.

TOD – Thermoplastic on Doors (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD zielt darauf ab, schnelle Produktion und Montage eines volle-Skala Thermoplast-Composite-Türs (inkl. Rumpfunterstrukturen) für ein Regionalflugzeug zu entwickeln und zu validieren. TOD ist Teil der Clean Sky 2 Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform), die die Integration der in Clean Sky Phase 1 Green Regional Aircraft ITD (Innovative Technology Demonstrator) entwickelten Technologien auf ein höheres Komplexitäts- und Reifelevel via zwei fliegende Testbetten und drei große integrierte Bodendemonstratoren bringt. Angeführt von Leonardo, wird CETMA mit Projektpartnern The Welding Institute (TWI, Cambridge, UK) und Luftfahrt-Tier-1- und Engineering/Industrialisierungsfirma DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italien) arbeiten.

Der vorgeschlagene Ansatz umfasst Optimierung und Validierung von Thermoformen für Komponentenfertigung und Fügeprozesse wie Induktionsschweißen (IW) und Resistive Implantat-Schweißen (RIW), die Gewichtsreduktion durch Eliminierung mechanischer Befestigungselemente ermöglichen. TOD wird auch Industry 4.0 Automatisierung und Inline-Überwachung vorantreiben, um Hochratenproduktion hochwertiger Bauteile (Null Fehler) mit robuster Prozesskontrolle zu unterstützen. Erwartete Vorteile umfassen:

• Mindestens 15 % Gewichtsreduktion
• Reduktion von Abfall und Ausschuss um 10 % durch Sensoren und Inline-Überwachung
• Bis zu 75 % Energieeinsparung vs. Standard-Autoklavenverarbeitung
• Reduzierte laufende Kosten via adaptives Smart Manufacturing (erhöhte Flexibilität, verringerte Gesamtlinienwerkzeugkosten)
• Verbesserte CO2-Emissionen während Fertigung und leichterer Flugzeugbetrieb.

CETMA ist an zahlreichen weiteren Entwicklungsprojekten beteiligt. Ein Beispiel ist NHYTE (New Hybrid Thermoplastic Composite Aerostructures manufactured by Out of Autoclave Continuous Automated Technologies), das innovative integrierte Aerostrukturen aus hybriden Thermoplast-Matrixmaterialien mit multifunktionalen Fähigkeiten demonstrieren soll.

Finanziert unter dem Horizon 2020 Programm und angeführt von NOVOTECH (Neapel, Italien), begann NHYTE im Sep 2018 und war auf Jan 2020 terminiert. Das Hochleistungs-Hybridmaterial basiert auf einem kommerziellen Carbonfaser/PEEK Prepreg mit hinzugefügten amorphen PEI-Filmen zur Ermöglichung von In-situ-Konsolidierung mit Automated Fiber Placement (ISC AFP) und dann Montage via CETMAs patentierter Induktionsschweißtechnologie. CETMA hat eine breite Charakterisierungskampagne abgeschlossen, umfassend physikalisch-mechanische und virtuelle Tests des Hybrid-Composite-Materials und Induktionsschweißprozess-Setups.

Carbonfaser-Recycling

Ein weiterer Schlüsselbereich für CETMA ist Recycling. Das CIRCE-Projekt zielt darauf ab, Prepreg-Abfälle, die während der Composite-Bauteilfertigung anfallen, durch Recycling in ein Pressform-Compound zu überführen, das dann zur Formung von Zehenkappen für Sicherheitsschuhe verwendet wird. CETMA wird dieses Sekundärrohstoffmaterial charakterisieren und ein numerisches Modell entwickeln, um die strukturelle Leistung der Schuhkappen vorherzusagen. Dieses Modell wird helfen, Schlagverhalten zur Erfüllung von Sicherheitsvorschriften zu analysieren und zu verifizieren, mit Ergebnissen zur Verfeinerung und Finalisierung des Zehenkappen-Designs. Das italienische Projektteam umfasst Base Protection (Barletta), Composite-Motorsport/Automobil-Teilehersteller HP Composites (Ascoli Piceno), Maschinen- und Produktionslinienspezialist Elks Group (Ascoli Piceno) und Petroceramics (Stezzano).

Vielleicht ist CETMAs größte Investition in Recycling bislang das REVALUE-Projekt, gerichtet auf REcycled Carbon Fibers für HIGH VALUE Composites. Gefördert vom European Institute of Innovation & Technology (EIT, Budapest, Ungarn), ist das Ziel des REVALUE-Projekts, recycelte Carbonfaser (RCF) vom führenden Produzenten ELG Carbon Fibre (Coseley, UK) mittels Pyrolyse zu nehmen und mit neuwertigen und recycelten Thermoplastpolymeren zu kombinieren, um aktuelle Materialien zu ersetzen, die von Centro Ricerche Fiat (CRF, Turin, Italien) für die Produktion ausgewählter Automobilkomponenten verwendet werden.

Wie jedoch im Jan-Feb 2020 JEC Composites Magazine Artikel „New sizing formulation for recycled carbon fibres“ von Alessandra Passaro et al. angemerkt, hat RCF aus Pyrolyse keine Beschichtung, was die spröden Fasern zu häufigem Bruch während der Handhabung und Separation der Fasertows in Filamente neigt, was in eine verfilzte, „flauschige“ Form mit niedriger Schüttdichte resultiert. Als Teil von REVALUE entwickelte CETMA eine spezifische Beschichtungsformulierung für RCF, kompatibel mit neuwertigem oder recyceltem Polypropylen (PP) und PA6. Anschließend bewertete es die Fähigkeit der Beschichtung, RCF-Verarbeitbarkeit zu verbessern und die Grenzfläche zu den ausgewählten Thermoplastmatrizen zu erhöhen.

Dazu entwickelte CETMA eine Pilotanlage für RCF-Beschichtung, fähig, die Beschichtung in Kilogrammmengen aufzubringen und gleichzeitig den Effekt der Hauptparameter auf den Beschichtungsprozess zu evaluieren. Die Anlage umfasst drei Hauptstationen: Behandlung der Beschichtung und Waschen der Fasern; Handhabung der trockenen Fasern vor und nach Behandlung; und Ofentrocknung der Fasern. Vier Kilogramm RCF können pro Tag in einem kontinuierlichen Zyklus behandelt werden.

Die beschichteten RCF von CETMA wurden dann vom französischen Forschungszentrum CEA und französischem Compounder SUEZ verwendet, um ein Formmasse-Compound mit neuwertigen und recycelten Thermoplastpolymeren herzustellen. Physikalisch-chemische Charakterisierung der Compounds wurde abgeschlossen, und die Fähigkeit der CETMA-Beschichtung, die finale Composite-Mechanikleistung zu verbessern, wurde verifiziert.

Die innovativen RCF-Formmassen wurden dann verwendet, um halb-strukturelle Automobilkomponenten zu spritzgießen, die derzeit mit glasfaserverstärktem PP oder PA6 gefertigt werden. Neben dem offensichtlichen Vorteil im Recycling und Wiederverwerten von Materialien wurden auch Reduktion von Fahrzeuggewicht, Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen demonstriert.

Außerhalb von REVALUE hat CETMA auch weiter Beschichtungen für RCF in diversen Composite-Prozessen einschließlich Pressformen, Vakuuminfusion und RTM entwickelt und evaluiert, mit verbesserten Eigenschaften in allen Fällen.

Structural Health Monitoring (SHM)

Dieser finale Schlüsselbereich der Composite-Aktivitäten für CETMA ist auch ein wachsender Schwerpunkt in der Industrie. „Wir haben viele Jahre Erfahrung mit der Anwendung von SHM für Bau- und Gebäudianwendungen“, merkt Passaro an. „Und wir haben auch viel Arbeit mit SHM in Composites geleistet. Wir wissen, dass dies für zukünftige Anwendungen wichtig sein wird und wir sind interessiert, weiterhin mit Composite-Herstellern und der Industrie zusammenzuarbeiten, um diese Technologie voranzutreiben.“