SAMPE 2018 Keynote: Die Zukunft der Composite-Materialien

Die General Session der SAMPE 2018 beinhaltete die Bekanntgabe der drei besten Konferenzbeiträge sowie einen Keynote-Vortrag von Carmelo Lo Faro, President Solvay Composite Materials (Alpharetta, GA, USA).

Die drei besten Papers

• Platz 1: „Fabrication of Out-of-Autoclave Prepreg with High Through-Thickness Permeability by Polymer Film Dewetting“, Sarah G. K. Schechter, Timotei Centea, Steven R. Nutt
• Platz 2: „Warpage of Thin-Gauge Compression-Molded Panels with Discontinuous Long Fiber Carbon/Polyetheretherketone“, Caroline Collins, Pascal Hubert
• Platz 3: „Recycling of Amine/Epoxy Composites Using Chemical Treatment at Atmospheric Pressure“, Yijia Ma, Travis J. Williams, Steven R. Nutt

Drei Epochen der Composite-Entwicklung

Lo Faro skizzierte die Materialentwicklung – von Kupfer (8700 v. Chr.), Lehmziegel (2500 v. Chr.), Stahl (1851), Aluminium (1889), Titan (1950) bis zur Composite-Evolution in den 1950er/60er Jahren und dem Wachstum der Luftfahrttechnologien (1970–2010) mit Durchbrüchen in kommerziellen und Verteidigungsanwendungen.

Darauf aufbauend definierte er drei „Epochen“ der Composites: Die Leichtbau-Ära (1970–1995), die Fertigungs-Ära (1995–heute) und die kommende Ära, die er als Industrialisierungs- und Simulations-Ära bezeichnete.

Er betonte, dass die Automatisierung von Fertigungsprozessen ein entscheidender Enabler für Composite-Konstruktionen im kommerziellen Flugzeugbau war. Heutige Infusionstechnologie erhöhe die Wirtschaftlichkeit und ermögliche tragfähige Fertigungsraten – als Beispiel nannte er den C-Series-Flügel von Bombardier (Montreal, Kanada) mit hochreaktivem Harz und Non-Crimp-Gewebe. Er hob das CFM-LEAP-Triebwerksfan-Blatt (zähes Harz, 3D-gewebte Preforms) und den MS-21-Flügel von Irkut (Moskau, Russland) hervor, gefertigt durch automatisiertes Faserlegen trockener Tapes mit Infusion zähen Harzes. „Ich glaube nicht, dass Aluminium und Titan in ihren ersten 30 Jahren so viel erreicht haben wie Composites in ihren ersten 30 Jahren“, argumentierte er.

Herausforderungen und Chancen

Können wir den Sieg verkünden? Lo Faros Antwort: Nein – es kann noch viel mehr erreicht werden. Um weiter zu wachsen, müssten Composites mehr Wert liefern. Zukünftige Herausforderungen und Chancen umfassen Pressformen, thermoplastische Composites für Großstrukturen, Additive Fertigung, Fügen, Simulation, Komplexitätsmanagement und natürlich Kosten.

Lo Faro wies auf den „Hype Cycle“ hin: übertriebene Begeisterung, gefolgt von Enttäuschung, bis die Technologie ihren Platz in der Realität findet. Die Zukunft werde getrieben durch industrielle Skalierung und Ökonomien; Konvergenz von Luftfahrt- und Automobilpraktiken; und wachsende Bedeutung von Produktionssystemen gegenüber Endprodukten.

Thermoplastische Composites und Additive Fertigung

Zu thermoplastischen Composites sprach Lo Faro über PEEK, PEKK, PAEK und Continuous Compression Molding. Thermoplastische Composites seien nicht neu. Er erwarte Wachstum im 21. Jahrhundert durch die Reifung kosteneffizienter, automobilähnlicher Fertigungsprozesse der letzten 15 Jahre – namentlich Pressformen, Continuous Compression Molding und Stamp Forming. Für große thermoplastische Composite-Strukturen müsse die Luftfahrt-Lieferkette Out-of-Autoclave-Formsysteme mit schnellem Heizen/Kühlen reifen.

Zur Additiven Fertigung (AM): Zunächst unterstütze AM Werkzeug- und Vorrichtungsbau. Künftig ermögliche AM bedarfsgerechte Werkzeugherstellung und verbessere MRO-Operationen (Maintenance, Repair, Overhaul) bei Composites. Auch hier gebe es Chancen zur Kopplung mit Machine Learning. Mehr Zusammenarbeit zwischen Maschinen- und Materialherstellern sei nötig.

Drei Simulations- und Modellierungsbedarfe

• Molekulare Modellierung – zur Beschleunigung der Experimentierung und schnelleren Markteinführung
• Künstliche Intelligenz – angewendet auf Materialdesign und -entdeckung
• Zertifizierung durch Analyse – der „Holy Grail“

Diese Technologien könnten Entwicklungszeiten durch optimiertes molekulares Design für verbesserte Eigenschaften verkürzen und die Art der Materialentwicklung verändern. Die Zukunft beginne jetzt für Multi-Scale-Modellierung zur Beschleunigung von Composite-Innovationen, -Adoption und Versagensvorhersage.

Lo Faro schloss optimistisch: „Wenn wir die nächsten 40 Jahre betrachten, glaube ich, dass Composites ein Material sind, das die Fähigkeiten von Metallen übertreffen wird.“