2013-2015 KarboWerk
Energieeffizientes konturnahes 3D-Werkzeugtemperierungssystem für die Herstellung von Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen
Beschreibung
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Realisierung einer neuartigen, branchenweit einsetzbaren Prozesskette zur automatisierten Herstellung von Formwerkzeugen mit integrierter Heizung. Zentraler Ansatz hierfür ist innovatives 3D-Werkzeugtemperierungssystem auf Basis einer mit elektrisch leitfähigen Kohlenstoff-Nanopartikeln durchsetzten Heizschicht, das als Beschichtung auf die Werkzeugkontur aufgebracht wird.
Mit diesen Formwerkzeugen können eine hohe Energie- und Ressourceneffizienz sowie deutliche produktionstechnische Vorteile (stark reduzierte Aushärtungszeiten) bei der Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen erzielt werden.
Das Verbundprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in der der Förderinitiative „KMU-innovativ: Ressourcen- und Energieeffizienz” unter den Förderkennzeichen 02PK2345 bis 02PK2350 gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.
Förderstelle
BMBF (KMU-Innovativ) (05/2013-05/2015) |
Inhalt
In dem Projekt wurden verschiedene Test-Formwerkzeuge mit Kohlenstoff-Nanaopartikel basierten Heizsystemen hergestellt und getestet. Dabei wurde das eigentliche Heizsystem sowie die automatisierte Beschichtung der Heiz- und Kontaktschichten untersucht. Als finaler Demonstrator wurde ein GFK-Formwerkzeug mit dem Heizsystem besprüht und seitliche Kontaktflächen mittels thermischem Spritzen aufgebracht.
Beschichtung des Demonstrators (links). GFK-Formwerkzeug mit Heizschicht (rechts).
Thermographie-Aufnahmen des beheizten Formwerkzeugs.
Die Sensitivität des Heizsystems auf Schwankungen in der Schichtdicke wurde untersucht und elektro-thermisch simuliert. Prozessparameter und Hotspots wurden identifiziert.
Temperaturentwicklung auf einer Heizfläche mit alternierender Heizschichtdicke
Es wurden unterstützende Simulationen durchgeführt um den Schichtauftrag möglichst gleichmäßig zu gestallten und kritische Stellen zu identifizieren. Abschließend wurde das Werkzeug in Längsrichtung beschichtet.
Simulations des Beschichtungsprozesses: Automatisierter Schichtauftrag (links), Spritzprozess mit optimierten Parametern wie z. B. Geschwindigkeit und Winkel (rechts).
Zur Motivation des Projektes und Ermittlung der Vorteile des Kalt-Autoklav-Prozess bzw. des beheizten Werkzeugs wurde der Aushärtungsprozess im Autoklaven an mehreren Orten simuliert.
Verschiedene Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit von der Positionierung.
Temperaturunterschiede in einem Plattenwerkzeug vorne bzw. hinten positioniert (links). Verzögerung der Aushärtung einer einfachen CFK-Platte im Standard Autoklavprozess vorne bzw. hinten platziert (rechts).
Aktuelle Arbeiten befassen sich mit der Ermittlung der notwendigen Prozessführung im Kalt-Autoklav-Prozess.