Faserverstärkung meistern: Die Kunst und Wissenschaft des Flechtens

In der Verbundstoffindustrie gibt es einige Fertigungsprozesse, die auf den ersten Blick relativ einfach und leicht durchführbar erscheinen. Das Flechten von Faserverstärkungen ist wohl einer davon. Flechten wird tatsächlich von einer fairen Anzahl von Fertigern durchgeführt. Tatsächlich kann der Erwerb und die Nutzung einer Flechtmaschine zur Herstellung von Kohlenstofffaser- oder Glasfaser-Preforms, Hülsen und/oder Geweben ohne monumentale Investitionen an Geld oder Zeit erreicht werden.

Es gibt jedoch wenige Unternehmen weltweit, die das Flechten zum Fokus all ihrer Aufmerksamkeit, Expertise, Investition und Strategie gemacht haben. Noch weniger genießen den Ruf, den A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, USA) für technische und künstlerische Exzellenz und Breite der Erfahrung mit praktisch jedem heute verwendeten Faserverstärkungswerkstoff etabliert hat.

Was steckt im Namen?

Das A&P leitet sich von Atkins & Pearce Manufacturing Co. ab, 1817 gegründet zur Herstellung von Baumwollverarbeitungsmaschinen. Atkins & Pearce begann schließlich, Baumwolle für diverse Endmärkte zu flechten. Dies setzte sich über die Mitte des 19. und ins 20. Jahrhundert fort. 1986, als die moderne Verbundstoffindustrie Gestalt annahm, sah Atkins & Pearce die Chance, sein Flecht-Know-how auf die Verbundstofffertigung anzuwenden, und schuf A&P Technology als F&E-Einheit zur Evaluation des Flechtens technischer Fasern. Das A&P Technology-Geschäft wuchs im folgenden Jahrzehnt und wurde 1995 eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Atkins & Pearce. 1997 ging das Unternehmen den zusätzlichen Schritt, A&P Technology als unabhängiges Unternehmen auszugliedern. Heute gehört es vollständig seinem Präsidenten, Andrew Head.

A&P Technology erstreckt sich über fünf Gebäude auf einem Campus auf der Ostseite des Cincinnati-Metropolgebiets. Besucher werden im 1.255 m² großen Tech Center begrüßt, einem Gebäude in der Nähe des Haupteingangs des Campus. Hier empfingen Pam Schneider, COO, und Mike Braley, VP Application Engineering, CW für diese Tour. Schneider führt ihre A&P-Wurzeln über 30 Jahre zurück bis zur Unternehmensgründung. Braley kam vor über 20 Jahren zu A&P, von GE Aviation (Evendale, OH, USA), einem der langjährigen Kunden von A&P.

Sitzend im obersten Stockwerk des Tech Centers, umgeben von Mustern von Teilen aus A&Ps Flechtaufträgen sowie historischen Fotos aus Atkins & Pearces frühen Tagen, erklärt Schneider, dass A&Ps Erfolg primär aus der Fähigkeit resultiert, maßgeschneiderte Materiallösungen zu entwickeln, um vielfältige mechanische und physikalische Anforderungen zu erfüllen. Und das ist möglich, weil A&Ps Flechtausrüstung intern entwickelt und gefertigt wird, was bedeutet, dass das Unternehmen eng mit seiner Technologie verbunden ist, von der Konzeption über die Entwicklung bis zur Fertigung.

Braley behauptet, das Flechten von Faserverstärkungen biete eine Reihe von Materialfähigkeiten, die nirgendwo sonst in der Verbundstoffindustrie zu finden seien. „Grundsätzlich“, sagt er, „können wir die Faserarchitektur ändern, um jede spezifische Dimension und jede spezifische mechanische Anforderung zu erfüllen.“

Flechten 101

Das Verständnis dieser Aussage erfordert ein Verständnis des Flechtens selbst. Auf der grundlegendsten Ebene ist ein Flechtwerk ein System aus kontinuierlichen, mechanisch ineinandergreifenden Fasern von entweder zwei oder drei Orientierungen. Das Garn wird auf eine zylindrische Spule gewickelt und die Spule auf einem Träger montiert. Mehrere Träger werden dann an einer Flechterplatte mit einer serpentinenförmigen Führung befestigt, die die Träger leitet. Garn wird von jedem Träger zur Formierungsebene über der Flechterführung gezogen. Der Flechter kann horizontal oder vertikal orientiert sein, und seine Größe (Anzahl der Träger) bestimmt den Durchmesser des fertigen geflochtenen Teils.

Die Geometrie des fertigen Flechts hängt von der Dornform und -größe sowie der Flechterkonfiguration ab und wird zur Herstellung von Hülsen, 2D-Preforms und Flachgeweben verwendet. In allen Fällen bietet gut gemachtes Flechten eine Faserstruktur, die kontinuierlich, konsistent und gleichmäßig verteilt ist, was dem fertigen Verbundstoffteil ausgezeichnete Schlag- und Rissausbreitungswiderstand verleiht.

Die Anpassung der Gewebearchitektur, auf die Braley verwies, wird durch die Variablen ermöglicht, die für ein Flechtwerk eingestellt werden können: Anzahl der Fasertypen (Kohlenstoff, Glas, Aramid, Natur, Thermoplast oder Hybrid), Architektur (biaxial, triaxial, triax/biax oder unidirektional), Anzahl der Träger, Garnwinkel (fest oder variabel), Garnspannung, Flechtgeschwindigkeit und Dornform.

A&P Technology, so Schneider, betreibt Flechtmaschinen in Größen von 3 bis 800 Trägern, mit über 40 Größen dazwischen, und produziert eine Reihe von Preforms und Produkten mit Kohlenstofffaser, Glasfaser, Aramidfaser und mehr. Der 800-Träger-Flechter ist massiv – über 13 m im Durchmesser – der größte der Welt. A&Ps Maschinenpark entwickelt sich ständig weiter, mit häufig neuen Maschinengrößen, um spezifische Kundenanforderungen zu erfüllen. 2016 produzierte A&P mehr als 453,6 Tonnen geflochtener Produkte, mit jährlichem Wachstum von 15-20 % für die nächsten Jahre erwartet. A&Ps größter Endmarkt ist die Luftfahrt, sagt Schneider, aber das Unternehmen fertigt auch geflochtene Produkte für Automobil, Freizeit und Infrastruktur.

Braley sagt, A&P verdanke viel seines Erfolgs der Fähigkeit, gut zu flechten und dabei Kunden bei der Lösung schwieriger Probleme zu helfen. Meistens, so sagt er, kämen Kunden mit einem metallischen Teil, das auf irgendeine Weise versagt, und alle anderen Lösungen hätten versagt. „Wir sind extrem lange auf dies fokussiert“, sagt er über das Flechten. „Wir haben die Ausrüstung, Geschichte, Wissen und Expertise, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln. Tatsächlich“, behauptet er, „sind einige unserer Kunden ein wenig überwältigt von unseren Anpassungsfähigkeiten.“

Der erste Stopp der Tour nach Verlassen des Ausstellungsbereichs des Tech Centers ist unten im Prototypenlabor, wo die „Technik“ tatsächlich stattfindet. A&P fertigt keine Verbundstoffteile zum Verkauf, sondern schuf einen Raum für Kunden, um ihre Prototypenprozesse zu beschleunigen. Hier unten führt A&P Prototyping für Kunden durch, baut Laminierwerkzeuge und führt hydraulische Bersttests durch. Ebenfalls enthalten sind ein großer Laminiertisch, ein kleiner kommerziell erhältlicher Flechter, zerstörungsfreie Prüfgeräte, ein Gefrierschrank für Prepreg-Lagerung und ein begehbarer Wisconsin Ofen (East Troy, WI, USA).

Überall sichtbar sind diverse Teile in unterschiedlichen Fertigungs- und Bewertungsstadien. Darunter ein Next-Generation-Triebwerksgehäuse, ein Verbundstoffzahnrad für ein Hubschrauberprojekt, ein Gondelwerkzeug und einige proprietäre Produkte, die kurioserweise nichts mit Verbundstoffen zu tun haben. Diese sind nicht fehl am Platz, sagt Braley: „Wir sind darauf ausgelegt, High-Risk-, High-Payoff-Projekte zu verfolgen. Wir suchen immer nach Gelegenheiten, unsere Technologie einzusetzen.“

Hinter verschlossenen Türen

Von hier geht die Tour hinter verschlossene Türen in einen Bereich, den CW besuchen darf mit dem Verständnis, dass alle anwendungs- und maschinenbezogenen Beobachtungen vertraulich bleiben. A&P erlaubt tatsächlich typischerweise keine Werksbesichtigungen, um den proprietären Charakter der Kundendesigns und seiner State-of-the-Art-Technologie zu schützen. Tatsächlich wurde nur dem US-Astronauten Neil Armstrong eine vollständige Tour gewährt. CWs Besuch, eine seltene Ausnahme, wurde arrangiert, um der bedienten Industrie A&Ps breite Fähigkeiten besser verständlich zu machen.

Nächster Stopp ist das Long-Term Contracts-Gebäude, eine 3.250 m² große Anlage am nördlichen Campusrand. Hier finden wir A&P-Systeme bei der Arbeit, wie der Name impliziert, an Flechtprojekten für Mehrjahresprojekte – jene, die, so Braley, statisch sind und sich nicht ändern können. Der erste sichtbare Vorgang beinhaltet ein beeindruckendes und komplexes Array von Flechtern und Dornen, das Kohlenstofffaser-Preforms für Rumpfspanten für The Boeing Co.s (Chicago, IL, USA) 787-8 Dreamliner herstellt. A&P fertigt 290 Spanten pro Flugzeug für Boeing, 161 davon sind einzigartig. In einer Schicht produziert eines dieser A&P-Flechter/Dorn-Systeme vier Preforms, aus denen acht Spanten gefertigt werden, und das System, das dies tut, wird von einem der komplexesten und am höchsten entwickelten Softwareprogramme betrieben, die das Unternehmen je entwickelt hat.

Schneider und Braley weisen dann auf eine große Arbeitszelle mit einem in Betrieb befindlichen Flechter hin, der Kohlenstofffaser-Lüftergehäuse-Preforms für GEs GEnx-Triebwerk herstellt. Dieser Preform kommt als Zylinder vom Flechter, wird dann zu einer Galerie über dem Flechter befördert, abgeflacht und geschlitzt, um ein zweilagiges Gewebe zu erstellen, auf eine Spule gewickelt und dann zu GEs Triebwerksanlage in Batesville, MS, USA versendet (siehe „Plant Tour: GE Aviation“). Braley sagt, Konsistenz sei hier kritisch, da ein Lüftergehäuse darauf ausgelegt ist, ein „Blade-out“-Ereignis zu enthalten, bei dem sich ein Lüfterblatt während des Betriebs löst (ein seltenes Ereignis) und das Gehäuse trifft: „Jede Lage muss identisch sein und ist es“, sagt er. „Aus Schlagsicht ist es extrem konsistent.“ Neben dem GEnx liefert A&P geflochtene Lüftergehäuse-Preforms für den GE CF6-80C2, Honeywell Aerospace (Phoenix, AZ, USA) HTF7000 Triebwerksfamilie und Williams International (Commerce Township, MI, USA) FJ44-4 Triebwerk.

Als Nächstes ein 336-Träger-Flechter, der Kohlenstofffaser-Preforms für die LEAP 1B/2B Triebwerke sowie den GEnx herstellt. Darauf folgt ein komplexes System, das Kohlenstoff- und Aramidfasern flechtet, um Preforms für Leitwerkschaufeln eines Honeywell-Triebwerks herzustellen. Dieser Flechter, so wird CW mitgeteilt, berücksichtigt sieben Designvarianten, funktioniert jedoch vollständig ohne menschliche Aufsicht.

Schneider und Braley führen aus dem LTC-Gebäude hinaus zum Core Products Building. Vor gerade zwei Jahren erbaut, ist es A&Ps neuestes. Hier stehen 20 verschieden große Flechter (der größte mit 400 Trägern), Vielfache vieler Größen, und die meisten laufen zu jedem gegebenen Zeitpunkt. Das ständige „Klack-Klack“ der rotierenden Träger macht es zu einer der lautesten Anlagen auf dem Campus. Die brandneue Ausrüstung hier fokussiert auf Hochgeschwindigkeitsflechten von Hülsen für diverse Anwendungen, einschließlich Überland-LKW-Emissionsisolierung, Flugzeugflügelstrukturen, Prothesen, Hockeyschläger und Baseballschläger.

Nächster Stopp ist das Fabrics Building, wo A&P seine vier Standard-Geflochten-Gewebe herstellt: QISO, Bimax, ZERO und TX-45, für diverse Anwendungen. QISO, seit etwa fünf Jahren am Markt, ist ein quasi-isotropes Gewebe für Verbundstoffwerkzeuge, Infrastrukturreparatur und Automobilanwendungen. Materialkombinationen variieren je nach Anwendung und umfassen Luftfahrt- und Industriequalität-Kohlenstofffaser. Gewebe gibt es in verschiedenen Flächengewichten und Breiten.

Bimax ist ein stabilisiertes ±45°-Material, häufig verwendet in Hockeyschlägern, großen Funkspiegeln und Autoteilen. Fasertyp hier ist ein Hybrid aus Kohlenstoff und Glas, mit thermoplastischen Axialen zur Stabilisierung der Gewebearchitektur während der Laminierung. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, USA), so A&P, wechselte von gewebter Kohlenstofffaser zu Bimax für seine Hockeyschläger und reduzierte dabei den Materialeinsatz um 7 %.

ZERO, A&Ps einziges nicht geflochtenes Gewebe, wurde ursprünglich für das F-22-Programm entworfen. Dieses nicht-gewebte unidirektionale Gewebe hat praktisch keine Wellenbildung und wird in verschiedenen Unzen-Gewichten angeboten.

TX-45 ist A&Ps neuestes Gewebe, ein ±45°, 193 g/m², 2x2 Köper, geliefert auf Trägerpapier für einfaches Handling und konsistente Faserorientierung. Braley sagt, TX-45 wurde von A&P für einen Luftfahrtkunden entwickelt, der an einem Ersatz für ±45° Plain-Weave-Prepreg interessiert war.

Auch im Fabrics Building fertigt A&P einen geflochtenen Thermoplast-Preform für Expliseats (Paris, Frankreich) geschütztes TiSeat (Titansitz). Mit nur 4 kg Gewicht nennt Expliseat ihn den leichtesten Flugzeugsitz der Welt. Er verfügt über Verbundstoff-Preforms, hergestellt durch Flechten schmaler, geschlitzter Thermoplastbänder, die Braley zufolge steifer als Garn sind und somit schwieriger zu flechten. TiSeat wird für den Airbus A320 ausgerüstet und spart Airbus ca. 2.090 kg pro Flugzeug im Vergleich zu wettbewerbsfähigen Materialien und Produkten.

Die größte Struktur auf dem A&P-Campus ist das Business Development Building, eine 7.430 m² große Anlage, die als Fertigungshub für diverse militärische, industrielle und Luftfahrtprojekte dient – insbesondere triebswerksbezogene. Beim Rundgang weist Braley auf Flechtsysteme in Entwicklung für GE-Triebwerks-Durchströmungsspacer hin, ein GE9X-Triebwerks-Preform-System in Qualifizierung (der GE9X wird den kommenden Boeing 777X antreiben), GEnx-Body-Plies, einen Lüftergehäuse-Flechter für ein Williams-Triebwerk und ein Honeywell-Triebwerks-Lüftergehäuse-Preform.

Hier befindet sich auch der Automation Room, in dem A&P Robotik und ähnliche Technologien bewertet, um Flechtproduktionsraten zu beschleunigen. Dazu gehört ein Mehrachsenroboter zur Unterstützung des Dornladens und die Entwicklung fortschrittlicherer Überflechttechniken. Ebenfalls in Evaluierung: dynamische Planungssoftware mit Echtzeit-Flechter-Rückmeldung und Vision-Systeme für In-Prozess-Inspektion. „Wir fühlen uns an der Spitze der Flechtfähigkeit“, merkt Braley an, „aber es gibt immer Verbesserungsmöglichkeiten, und wir müssen diese vorantreiben.“

In die Zukunft

Zurück im Tech Center trifft CW Andy Head, der allgemein als A&Ps technischer und mechanischer Treiber beschrieben wird. Auf die Frage nach A&Ps Platz in der Verbundstoff-Lieferkette nennt er vier Stärken: Starke numerische Steuerung, gutes digitales Design, hervorragende interne mechanische Fähigkeit und die dem Flechtprozess innewohnende Flexibilität.

Diese Fähigkeitsmischung, so Head, habe A&P in eine einzigartige Position in der Verbundstoffindustrie gebracht: Eine Quelle für hochentwickelte, fortschrittliche geflochtene Lösungen, die anderswo schwer zu finden sind, wegen der hohen Eintrittsbarriere des Flechtens.

„Unsere Organisation basiert auf dem gegenseitig überzeugenden Interesse, unseren Kunden erfolgreich zu machen“, fügt er hinzu. „Unsere Fähigkeit, Maschinen intern zu entwerfen und zu bauen, ermöglicht es uns, Kunden optimale Lösungen in kurzer Zeit zu bieten. Diese Designflexibilität stellt A&P an die Spitze der Flechttechnologie, eine Position, die wir sehr ernst nehmen.“

„Zugegeben“, sagt Head, „unsere Alleinstellungsposition ist einzigartig, aber wir haben eine lange Geschichte der Unterstützung von Großserienprogrammen, Programmen mit Anforderungen, die nur von unseren Maschinen erfüllt werden. Wir sind stolz auf unsere Fähigkeit, nicht nur diese Anforderungen zu erfüllen, sondern die Erwartungen unserer Kunden an Qualität und Service zu übertreffen.“

Rückblickend auf A&Ps Weg und den Fokus der Verbundstoffindustrie heute auf Fertigungsgeschwindigkeit, Zykluszeit, Automatisierung, Prozesskontrolle und Konsistenz, sieht Schneider A&P gut ausgerichtet an diesen Zielen und bereit, Preforming-Bedürfnisse in Luftfahrt, Automobil, Industrie und darüber hinaus zu erfüllen. „Es waren großartige 20 Jahre“, sagt sie, „aber wir sind noch nicht fertig.“