Verständnis von Tow-Spreading-Techniken in der Composite-Fertigung

Als der Fachartikel „The spread of spread tow“ in den Druck ging, beleuchtete dieser Side Story vor allem, wie viel wir nicht darüber wissen, wie Tow gespreizt wird. Dann stieß ich auf einen Artikel im AZL-Newsletter NewsLIGHT #7: ITA mit dem Titel „Neuer ultraschallbasierter Spreizprozess für die Verarbeitung von Verstärkungs-Tows“. Dabei stellt sich heraus, dass das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen (Aachen, Deutschland) seit 2011 Spread-Tow-Methoden erforscht. „Wir begannen damit, alle verschiedenen Methoden zum Spreizen von Tow zu Tape zu testen und forschten intensiv zu den Einflussfaktoren und deren Optimierung“, berichtet Wilko Happach, Leiter der Forschungsgruppe Tapes in der Composites-Division des ITA. Daraus entwickelte das ITA eine neue Technologie für hochgeschwindige Produktion – bis zu 100 m/min – von Spread-Tow-Tape mit deutlich geringerer Breitenvariation dank integrierter Regelung. Das ITA nennt diese Technologie AutoTow.

Grundlagen der Spread-Tow-Techniken

Die ITA-Forschung begann mit dem Ziel, Tape herzustellen. „Wir hatten gesehen, dass Gewebe und Non-Crimp-Fabrics erheblichen Verschnitt erzeugen und keine optimierten Designs zulassen“, erinnert sich Happach. „Da die Fasern nicht alle in Lastrichtung ausgerichtet sind, wird Faser verschwendet.“ Deshalb begann sein Team, sich automatisiertem Tape-Legen zuzuwenden, doch es mangelte sowohl an Tape-Verfügbarkeit als auch an Wissen, so Happach. „Also machten wir unser eigenes, wobei wir uns entschieden, zuerst trockenes, bindermitteltes Tape zu entwickeln.“ Dafür mussten sie zunächst das Spreizen verstehen.

Happach beschreibt drei grundlegende Methoden, Roving in breitere, dünnere Tapes zu spreizen:

1. Ziehen der Fasern über Spreizstäbe unter hoher Spannung.
2. Luftspreizung mittels Schlitzdüse.
3. Applikation von Ultraschall oder anderer Vibration auf die Fasern.

Spreiztechnologien und Prozessparameter

Spreizstäbe scheinen die älteste und grundlegendste Technik zu sein, genutzt in einem 2001 eingereichten Patent des Carbonfaserherstellers Zoltek. Happach merkt an, dass auch Anlagenbauer Karl Mayer auf Spreizstäbe in seinen Tape- und Spread-Tow-Fabric-Maschinen setzt. „Das Problem: Die Produktionsgeschwindigkeit ist auf 25 m/min begrenzt. Geht man höher, ist die Reibung zu hoch und beschädigt die Roving-Filamente. Stabspreizung limitiert auch die maximale Spreizbreite – maximal das 3-fache der ursprünglichen Roving-Breite.“

Luftspreizung, so Happach, wird eingesetzt, wenn maximale Spreizbreite für geringere Flächengewichte gewünscht ist. „Der Luftstrom trennt die Filamente und ermöglicht Spreizung bis zum 6- bis 7-fachen der ursprünglichen Roving-Breite bei deutlich geringerem Filamentschaden durch weniger Reibung. Es gibt kein Ziehen der Faser über Stäbe unter hoher Spannung.“

Eine Limitation besteht je nach Sizing der Glas- oder Carbonfaser. Happach erklärt: „Für Epoxid und andere Duroplaste gesizte Fasern können klebrig sein, sodass der Luftspreizprozess die Filamente nicht leicht trennen kann. Hier kann ein Vorprozess nötig sein, um das Sizing etwas aufzulösen. Sizing, das mit thermoplastischen Matrixharzen kompatibel ist – ebenfalls thermoplastisch –, ist gar nicht klebrig und verhält sich fast wie ungesizte Faser. Also keine Interfilament-Adhäsion. ‚Das macht es leicht zu spreizen, aber schwer zu handhaben, weil es auseinanderfällt‘, so Happach.

Ultraschallspreizung nutzt das gleiche Grundprinzip wie Spreizstäbe, aber mit halbcylindrischen Sonotroden, die, so Happach, „viel Energie übertragen. Das Roving umwickelt die Sonotroden und durch Applikation von Ultraschall schwingen die Filamente und legen sich auf der Oberfläche aus, spreizen sich.“ Diese Technik erzielt höhere Spreizverhältnisse (größere Faser-Tows in sehr dünne, breite Tapes), kann aber nicht mit Glasfaser oder pitch-basierter Carbonfaser eingesetzt werden, da diese zu spröde sind und brechen.

„Man kann auch mechanisch induzierte, niedrigfrequente Vibration nutzen“, sagt Happach, „und Wärme, um das Fasersizing zu erweichen, sodass sich die Filamente leichter bewegen lassen.“

AutoTow: Überwindung der Limitationen

Das ITA entwickelte AutoTow, um die Probleme der grundlegenden Spreizmethoden zu lösen. Happach merkt an, dass das Tape Centermostly mit 24K, 50K und 60K Tow arbeitet (von Mitsubishi), da die Spreizeffekte hier am höchsten sind. „Wir erreichen höhere Produktionsgeschwindigkeiten bis 100 m/min, weil wir die einzelnen Spreizstäbe mit bis zu 80 m/min rotieren lassen“, erklärt er. „Damit beträgt die Relativgeschwindigkeit 20 m/min, was gut für spreizung ohne Filamentschaden ist.“

Happach weist darauf hin, dass das Eingangs-Roving/Tow Variationen aufweist, wodurch auch die Breite des ausgegebenen Spread Tows variiert. „Bei Prepreg-Tapes schneiden Lieferanten einfach die Kanten ab. Aber wir starteten mit trockenem, bindermitteltem Tape, das viel weniger Harz hat, sodass Kantenabschneiden zu hart ist.“ Happachs Team erkannte, dass sie eine bessere Kontrolle der Spreizbreite benötigten.

„Wir nutzen Kameras, um die Breite am Ein- und Ausgang des Spreizers zu messen“, erklärt er. „Ein Algorithmus nutzt diese Breitenmessung, die Prozessgeschwindigkeit und bekannte Materialfaktoren, um die Geschwindigkeit jedes der 5 rotierenden Stäbe kontinuierlich zu regeln und die Tape-Breite anzupassen. Wir können die Variation auf weniger als 1 Millimeter reduzieren.“

„Wir können auch den Umschlingungswinkel des Rovings um jeden Spreizstab anpassen“, fährt Happach fort, „aber nicht in Echtzeit. Das ist eher eine Kalibrierung pro Produktionslauf. Alles andere läuft inline“, betont er. „Will man von 25 mm auf 30 mm Spread-Tow-Breite wechseln, gibt man die Zahl ein und innerhalb weniger Sekunden ändert sich die Breite während der Produktion – sogar bei 100 m/min.“

Zukünftige Entwicklung

Ziel des ITA Tape Centers ist der volle Tape-Prozesskette, um Industrieentwicklungen zu unterstützen. „Unser Ziel ist es, Industriepartner für neue Lösungen zu gewinnen“, erklärt Happach. „Wir bauen eine Tape-Produktionslinie und Bauteilproduktionslinie auf. Wir wollen alle Operationen abdecken: Sizing, Spreizen, Tape-Herstellung, automatisiertes Tape-Legen und Aushärten.“ Das ITA werde nie Maschinenlieferant oder Bauteilfertiger sein. „Wir wollen die Produktion leichter Thin-Ply-Bauteile erreichen, weil wir gesehen haben: je dünner die Lagen, desto höher die mechanischen Eigenschaften. Jetzt, da wir trockene, bindermittelte Tapes mit hoher Geschwindigkeit und Qualität produzieren können, ist unser Ziel, das Flächengewicht weiter zu senken und als Nächstes thermoplastische und duroplastische Prepreg-Tapes herzustellen.“

Genau wie das ITA Tape Center den Produktionsraum für Spread-Tow-Prozesse und deren Parameter definiert hat, entwickelte es auch signifikantes Wissen zu Fasersizing und Tape-Binder-Technologie. „Wir haben Lieferanten, die verschiedene Sizing-Rezepte testen wollen, um zu sehen, was fürs Spreizen am besten ist“, sagt Happach.

Bei Bindermaterialien betont er, der wichtigste Faktor sei die Kompatibilität mit dem Matrixharz. „Ein duroplastischer Binder erreicht die höchsten Eigenschaften für eine duroplastische Matrix. Für eine thermoplastische Matrix sollte der Binder thermoplastisch sein und kann per Pulver, Vlies oder Heißschmelze aufgebracht werden. Die letzteren beiden ermöglichen sehr schnelle Applikation und hohe Tape-Stabilität, aber Happach merkt an, dass das Vlies leicht höheren Bindergehalt ergibt. Das kann je nach Bauteildesign und Fertigungsprozess erwünscht sein oder nicht. Die Forschung zu Binderparametern und deren Einfluss auf Endbauteile wird fortgesetzt, während das ITA seine volle Prozesskette ausbaut.“