Faserwickeln als Fügeverfahren

Faserverbundwerkstoffe haben sich in den letzten Jahren zu einer wichtigen Materialklasse entwickelt. Aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials in Kombination mit erstklassiger mechanischer Performance werden sie in der Luftfahrt gleichermaßen eingesetzt wie im Automobil- und Schiffsbau, der Energietechnik oder im Sport.

Stand der Technik

Ein klassisches Herstellungsverfahren ist das Faserwickeln. Hierbei werden Endlosfasern (auch Rovings genannt) mit dem Matrixwerkstoff, zum Beispiel Epoxidharz, getränkt und dann in einem vordefinierten Muster auf einem positiven, rotierenden Formkern gewickelt. Vorteile dieser Art des Verfahrens sind die hohe Festigkeit des Werkstoffs bei gleichzeitig geringem Gewicht und die einfache Verarbeitung. Die Verbindungsstelle zweier oder mehrerer Bauteile, auch aus unterschiedlichen Werkstoffen, stellt jedoch eine Schwachstelle dar. Nietverbinder oder Verschraubungen zerstören die Faserstruktur der zu verbindenden Bauteile. Auch Klebeverbindungen weisen große Streuungen in den Festig- und Steifigkeitswerten auf und sind daher als sichere Verbindungsmethode ungeeignet.

Technologie

Wissenschaftler vom wbk Institut für Produktionstechnik des KIT haben das bauteilgenerierende Verfahren des Fasernasswickelns zu einer Fügetechnologie weiterentwickelt. Bei dem neuen Ansatz dienen die zu verbindenden Bauteile als Wickelkern, um die ein imprägnierter Roving geführt wird. Da bei geschlossenen Rahmenstrukturen oder großen Bauteilen, im Gegensatz zum herkömmlichen Wickeln, die Gefahr der Kollision besteht, wurde eine spezielle, robotergeführte Kinematik entwickelt. Diese besteht aus einem am Roboter angebrachten C-förmigen Stator, in dem sich ein ebenfalls C-förmiger Rotor dreht. Die Wickeleinrichtung rotiert um die zu verbindenden Bauteile und wickelt gleichzeitig eine Endlosfaserüber die Fügestelle.

Vorteile

Die dabei entstandene Knotenverbindung im Fügebereich der Bauteile ist bei geringem Gewicht vollkommen zerstörungsfrei zu den zu verbindenden Bauteilen und weist eine sehr hohe Festig- und Steifigkeit auf.

Optionen für Unternehmen

Ein Prototyp der Kinematik wird bereits am wbk eingesetzt und steht zur Besichtigung zur Verfügung. Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und Anwendung der Technologie.