„Faserwickeln als Fügeverfahren“ gewinnt 1. Preis des Innovationswettbewerbes NEULAND
Faserverbundwerkstoffe haben sich in den letzten Jahren zu einer wichtigen Materialklasse entwickelt: „Durch ihr hohes Leichtbaupotential und ihrer erstklassigen mechanischen Performance werden sie in der Luftfahrt ebenso eingesetzt wie im Automobil- und Schiffsbau, der Energietechnik oder im Sport“, sagt Marius Dackweiler, wissenschaftlicher Mitarbeiter am wbk Institut für Produktionstechnik. Ein klassisches Verfahren, um solche Verbundwerkstoffe herzustellen ist das Faserwickeln. Hierbei werden Endlosfasern (Rovings) mit einem Matrixwerkstoff, zum Beispiel Epoxidharz, getränkt und in einem vordefinierten Muster um einen rotierenden Formkern gewickelt.
„Das Faserwickeln ist einfach zu verarbeiten und erzielt dabei eine hohe Festigkeit des Werkstoffs bei gleichzeitig geringem Gewicht“, so Dackweiler. Allerdings habe das Verfahren auch Schwachstellen, vor allem wenn zwei oder mehrere Bauteile, auch aus unterschiedlichen Werkstoffen, miteinander verbunden werden sollen: „Nietverbinder oder Verschraubungen zerstören die Faserstruktur der Bauteile und Klebeverbindungen zeigen große Streuungen in den Festig- und Steifigkeitswerten.“
Das wbk hat deshalb einen Ansatz entwickelt, der das Fasernasswickeln, eigentlich ein Verfahren um Bauteile herzustellen, zu einer Fügetechnologie weiterentwickelt. Bei dem neuen Verfahren führt eine Wickelvorrichtung einen imprägnierten Roving um die zu verbindenden Bauteile und wickelt gleichzeitig eine Endlosfaser über die Fügestelle. Die so entstehende Knotenverbindung beschädigt die Bauteile nicht und weist eine sehr hohe Festig- und Steifigkeit auf.
„Bei geschlossenen Rahmenstrukturen oder großen Bauteilen, besteht immer die Gefahr der Kollision“, erklärt Dackweiler. „Deshalb haben wir eine spezielle, robotergeführte Kinematik entwickelt.“ Diese besteht aus einem am Roboter angebrachten C-förmigen Stator, in dem sich ein ebenfalls C-förmiger Rotor dreht und die Endlosfasern um die Bauteile wickelt. Einen Prototyp der Kinematik hat das wbk bereits umgesetzt.
Die Innovationsmarke NEULAND des KIT hat das Faserwickeln als Fügeverfahren für Leichtbauverbindungen mit dem ersten Platz in ihrem Innovationswettbewerb ausgezeichnet. Die sechsköpfige Jury wählte die Gewinner unter anderem nach den Auswahlkriterien Kreativität und Innovationshöhe, Marktnähe und -größe sowie dem Nutzen für die Gesellschaft aus. Der nächste Schritt sei nun der Transfer in die Wirtschaft, wie Dackweiler sagt: „In zukünftigen Projekten wollen wir unseren Prototyp in eine serientaugliche Anlage mit einem hohen Automatisierungsgrad überführen.“ Für die „Vorrichtung und Verfahren zum automatisierten Verbinden zweier Bauteile in einem Fügebereich“ hat das Deutsche und das Amerikanische Patent- und Markenamt dem KIT ein Patent erteilt.
