Intelligente Membranpresstechnologie für die Herstellung von hochleistungsfähigen Verbundbauteilen mit hoher Diversifizierung
Ausgangssituation
Leichtbauwerkstoffe auf Basis von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) vereinen hervorragende mechanische Eigenschaften mit einem hohen Grad an Funktionalisierung. Die kosteneffiziente Herstellung von Bauteilen aus FVK ist jedoch eine große Herausforderung im Hinblick auf die hohe Produktvariabilität und Individualisierung. Der Hauptkostentreiber ist die Entwicklung geeigneter Formen sowie die Prozesseinführungszeit. Diese kostenintensive Technologie ist derzeit insbesondere für KMU nicht realisierbar.
Zielsetzung
Ziel ist es, ein neuartiges Herstellungsverfahren zu entwickeln, das eine deutliche Vereinfachung der konventionellen Konsolidierungsprozesse bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit ermöglicht. Schlüsselelement ist eine Membran aus einem hochflexiblen und dehnbaren Elastomer mit integrierten Heizelementen und Sensoren zur Prozessüberwachung und unmittelbaren Anpassung der relevanten Prozessparameter. In Kombination mit geeigneten adaptiven Formgebungskonzepten, die entweder auf modularen oder verstellbaren Stiftelementen basieren, ist ein hohes Maß an Flexibilität in Bezug auf die Bauteilgeometrie möglich. So lassen sich kleine Losgrößen für individualisierte Bauteile mit maßgeschneiderten Eigenschaften und reproduzierbarer Materialqualität zu vergleichsweise geringen Investitions- und Produktionskosten herstellen.
Vergleich zwischen dem Stand der Technik des Formpressens und dem vorgeschlagenen Verfahren
Ergebnisse und Ausblick
Im Rahmen des Projekts konnten hochleitfähige, flexible und dehnbare Silikonverbundfolien durch Einarbeitung von CNTs mit Hilfe eines 3-Walzen-Reibstuhl entwickelt werden, und zwar durch einen einfachen Ansatz, der eine sehr hohe Scherung vermeidet und damit die Möglichkeit eines Abbaus der CNTs ausschließt. Durch ein derart effizientes Mischverfahren lässt sich die Leitfähigkeit der Folien bis zu einem Höchstwert von 105 S/m einstellen, ohne dass die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Anschließend wurde eine hochleitfähige Silberpaste entwickelt, die als zwei parallele Linien auf die leitfähigen Folien gedruckt wurde und als Elektroden fungieren. Diese selbst entwickelten Kontaktierungslinien sind flexibel und lösen sich nicht ab, so dass auch im gedehnten Zustand kein Leistungsverlust entsteht. Wenn die leitfähige Membran an die Gleichstromversorgung angeschlossen wird, erwärmt sie sich aufgrund des Jouleschen Effekts. Dieses Kompositmaterial ermöglicht eine Heizleistung von 1000 bis 5500 W/m2 bei einer Spannung von 6 bis 60 V, die durch den Gehalt an CNTs, die Geometrie der Probe und den Abstand zwischen den Kontakten gesteuert werden kann. Die Heizleistung bleibt nahezu unverändert, wenn die Membran um bis zu 10 % gedehnt wird. Bei einer Dehnung bis zu 20 % ist nur ein geringer Leistungsverlust (<10 %) zu verzeichnen. Die Heizmembran sorgt für eine homogene Erwärmung auf der gesamten Oberfläche, ohne Hotspots. Das Vorhandensein kleiner Defekte wie Risse oder Nadellöcher beeinträchtigt die Leistung der Membran nicht. Der Membranherstellungsprozess wurde bis zum Pilotmaßstab skaliert, in dem es möglich war, leitfähige Membranen mit einer Dicke zwischen 0,1 und 0,7 mm und einer Breite von bis zu 65 cm kontinuierlich herzustellen.
Der Prozess
Heizelement
Smart Membrane
IR-Bilder, die die Erwärmbarkeit unter Belastung bei 30 V zeigen
Programm: Cornet (266EBR)
Laufzeit: 01.01.2019 – 31.03.2022
Projektpartner: FILK Freiberg Institute gGmbH
ILK, TU Dresden
Cinnomatech, Poland
Warsaw University of Technology, Poland
INOTEC, Poland
