Forschungs- und Entwicklungsdienstleistung zur Implementierung von Carbonfasern in 3D-Druck-, Near-Net-Shape- und Preforming-Anwendungen

Description

Leichtbau gehört zu den Game-Changer-Technologien, die eine Steigerung des Wachstums und der Wettbewerbsfähigkeit ebenso in den Fokus nehmen wie eine Sicherung des Klimaschutzes und der Nachhaltigkeit. Hierbei spielen Carbonfasern als Verstärkungsmaterial für thermoplastische Kunststoffe eine herausragende Rolle, da sie eine einzigartige Kombination aus geringem Gewicht, extrem hoher Steifigkeit und Festigkeit in Verbindung mit thermischer, UV- und Korrosionsbeständigkeit bieten. Bereits heute lassen sich daher carbonfaserverstärkte Kunststoff (CFK)-Bauteile herstellen, die gegenüber vergleichbaren Aluminiumbauteilen 30 % und gegenüber Stahlbauteilen sogar mehr als 50 % Gewichtsreduktion zulassen. Der massenhafte Einsatz dieser Fasern in Märkten wie Automotive, Windkraft, Bauwesen und Infrastruktur wird allerdings heute noch durch den hohen Preis der Fasern, der petrochemischer Basis und kostspielige Fertigungsverfahren verhindert. Die neu zu etablierende Carbon LabFactory, als Forschungs-Campus und Außenstelle der TU Chemnitz in Boxberg/Oberlausitz, hat sich aus diesen Gründen, abgeleitet aus den generationsübergreifenden und globalen Herausforderungen, zum Ziel gesetzt, „grüne“ Carbonfasern zu erforschen. Darüber hinaus bildet die Carbon LabFactory zukünftig die vollständige Wertschöpfungskette, über die textilen Verfahren bis hin zu den kunststoffverarbeitenden Prozessen, ab. Zur Eruierung von Anwendungsmöglichkeiten konventioneller und insbesondere der neuartigen „grünen“ Carbonfasern in zukunftsorientierten Technologien schriebt die TU Chemnitz Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu thermoplastischen carbonfaserverstärkten Themenstellen aus, welche die eigenen Forschungsanstrengungen komplementär ergänzen. Dazu gehören neben dem granulatverarbeitenden 3D-Druck ebenso Technologien zur kraftflussgerechten und endkonturnahen Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen aus Carbonfasern und technischen Polymerwerkstoffen. Im Vordergrund der zu untersuchenden Verfahren und Prozesse stehen deren Serientauglichkeit, die Transformationspotentiale in die Wirtschaft, die Skalierungseffekte und die Wirtschaftlichkeit. Die additive Herstellung von komplexen faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist vor allem bei größeren Stückzahlen sowie Großstrukturen sehr aufwändig und teuer. Die geringen Bauraten etablierter 3D-Druckverfahren führen zu langen Prozesszeiten und sind in Verbindung mit den hohen Materialpreisen unrentabel für Großserien und Großbauteile. Die granulatverarbeitende 3D-Drucktechnologien auf Basis einer Extruderschnecke gestattet deutlich höhere Druckleistung von mehreren kg/h und verwendet ein kostengünstiges Kunststoffgranulat als Ausgangswerkstoff. Diese Art der 3D-Druck-Technologie erlaubt eine wirtschaftliche Herstellung von großformatigen Kunststoffbauteilen und Kleinserien und bietet zudem enormes Entwicklungspotential auch für die Fertigung funktionaler Werkzeuge und Vorrichtungen, wodurch es Hauptbestandteil der Forschungs- und Entwicklungsleistungen ist. Neben dem 3D-Druck spielen auch endkonturnahe und kraftflussgerechte Technologien eine wesentliche Rolle, wobei großes Potential in der Fusion der einzelnen Technologien gesehen wird. Aus diesem Grunde sind entsprechende technologische Ansätze für thermoplastische Near Net Shape (NNS)-Halbzeuge, deren Preforming-Fähigkeit und deren Kombinationspotential mit dem 3D-Druck entwicklungsseitig zu untersuchen und hinsichtlich ihrer Ökonomie, Ökologie und gesellschaftlichen Mehrwert zu bewerten. Darüber hinaus besteht ein weiterer F&E-Ansatz in der Einbindung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (sog. Rods) in den 3D-Druck, insbesondere im Hinblick auf Carbonfasern. Hierfür sind Konzepte zu erarbeiten, prototypisch umzusetzen und derart zueinander in Verbindung zu bringen, dass sich beide Technologien, im Hinblick auf die Bauteilfertigung, komplementär ergänzen. Lot 1: Leichtbau gehört zu den Game-Changer-Technologien, die eine Steigerung des Wachstums und der Wettbewerbsfähigkeit ebenso in den Fokus nehmen wie eine Sicherung des Klimaschutzes und der Nachhaltigkeit. Hierbei spielen Carbonfasern als Verstärkungsmaterial für thermoplastische Kunststoffe eine herausragende Rolle, da sie eine einzigartige Kombination aus geringem Gewicht, extrem hoher Steifigkeit und Festigkeit in Verbindung mit thermischer, UV- und Korrosionsbeständigkeit bieten. Bereits heute lassen sich daher carbonfaserverstärkte Kunststoff (CFK)-Bauteile herstellen, die gegenüber vergleichbaren Aluminiumbauteilen 30 % und gegenüber Stahlbauteilen sogar mehr als 50 % Gewichtsreduktion zulassen. Der massenhafte Einsatz dieser Fasern in Märkten wie Automotive, Windkraft, Bauwesen und Infrastruktur wird allerdings heute noch durch den hohen Preis der Fasern, der petrochemischer Basis und kostspielige Fertigungsverfahren verhindert. Die neu zu etablierende Carbon LabFactory, als Forschungs-Campus und Außenstelle der TU Chemnitz in Boxberg/Oberlausitz, hat sich aus diesen Gründen, abgeleitet aus den generationsübergreifenden und globalen Herausforderungen, zum Ziel gesetzt, „grüne“ Carbonfasern zu erforschen. Darüber hinaus bildet die Carbon LabFactory zukünftig die vollständige Wertschöpfungskette, über die textilen Verfahren bis hin zu den kunststoffverarbeitenden Prozessen, ab. Zur Eruierung von Anwendungsmöglichkeiten konventioneller und insbesondere der neuartigen „grünen“ Carbonfasern in zukunftsorientierten Technologien schriebt die TU Chemnitz Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu thermoplastischen carbonfaserverstärkten Themenstellen aus, welche die eigenen Forschungsanstrengungen komplementär ergänzen. Dazu gehören neben dem granulatverarbeitenden 3D-Druck ebenso Technologien zur kraftflussgerechten und endkonturnahen Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen aus Carbonfasern und technischen Polymerwerkstoffen. Im Vordergrund der zu untersuchenden Verfahren und Prozesse stehen deren Serientauglichkeit, die Transformationspotentiale in die Wirtschaft, die Skalierungseffekte und die Wirtschaftlichkeit. Die additive Herstellung von komplexen faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist vor allem bei größeren Stückzahlen sowie Großstrukturen sehr aufwändig und teuer. Die geringen Bauraten etablierter 3D-Druckverfahren führen zu langen Prozesszeiten und sind in Verbindung mit den hohen Materialpreisen unrentabel für Großserien und Großbauteile. Die granulatverarbeitende 3D-Drucktechnologien auf Basis einer Extruderschnecke gestattet deutlich höhere Druckleistung von mehreren kg/h und verwendet ein kostengünstiges Kunststoffgranulat als Ausgangswerkstoff. Diese Art der 3D-Druck-Technologie erlaubt eine wirtschaftliche Herstellung von großformatigen Kunststoffbauteilen und Kleinserien und bietet zudem enormes Entwicklungspotential auch für die Fertigung funktionaler Werkzeuge und Vorrichtungen, wodurch es Hauptbestandteil der Forschungs- und Entwicklungsleistungen ist. Neben dem 3D-Druck spielen auch endkonturnahe und kraftflussgerechte Technologien eine wesentliche Rolle, wobei großes Potential in der Fusion der einzelnen Technologien gesehen wird. Aus diesem Grunde sind entsprechende technologische Ansätze für thermoplastische Near Net Shape (NNS)-Halbzeuge, deren Preforming-Fähigkeit und deren Kombinationspotential mit dem 3D-Druck entwicklungsseitig zu untersuchen und hinsichtlich ihrer Ökonomie, Ökologie und gesellschaftlichen Mehrwert zu bewerten. Darüber hinaus besteht ein weiterer F&E-Ansatz in der Einbindung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (sog. Rods) in den 3D-Druck, insbesondere im Hinblick auf Carbonfasern. Hierfür sind Konzepte zu erarbeiten, prototypisch umzusetzen und derart zueinander in Verbindung zu bringen, dass sich beide Technologien, im Hinblick auf die Bauteilfertigung, komplementär ergänzen.