MIKWERK – Mikrowellenbeheiztes Werkzeug zur zeit- und kosteneffizienten Aushärtung von CFK- und GFK-Bauteilen in mittelgroßen Serienfertigungen
Im Projekt MIKWERK wird ein additiv gefertigtes, selbstheizendes LFAM-Werkzeug mit integrierter Mikrowellenabsorption entwickelt, um Faserverbundbauteile bei mittleren Stückzahlen energieeffizient, schnell und mit moderaten Investitionskosten auszuhärten.
Projektpartner
HL Kunststofftechnik GmbH, PCW GmbH
Laufzeit
01.07.2024 – 31.01.2027
Fördergeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Motivation
Für das Aushärten von Faserverstärkten Kunststoffen können großindustrielle Lösungen mit enormen Investitionskosten oder die Einzelfertigung mit hohem Energieverbrauch und hoher Durchlaufzeit verwendet werden. Bei Stückzahlen von 100 Stück überwiegen die Nachteile beider Ansätze, was zu hohen Stückkosten führt. Ein Fertigungsverfahren mit mittelgroßen Investitionskosten, aber dennoch geringem Energieverbrauch und geringer Durchlaufzeit wäre für die Industrie demnach besonders wertbringend. Werkzeuge aus der Large Formate Additive Manufacturing (LFAM) erfüllen die Anforderungen bezüglich Investitionskosten und Lebensdauer. Die darin verbauten Kunststoffe führen jedoch wegen hoher Wärmekapazität und geringer Wärmeleitfähigkeiten zu hohen Durchlaufzeiten und Energiekosten. Daher sollen im Forschungsprojekt MIKWERK die Vorteile von LFAM-Werkzeugen mit den Vorteilen von selbstheizenden Werkzeugen kombiniert und in einem einzigen additiven Fertigungsschritt verdruckt werden. Als Heizmechanismus wird in diesem Projekt die Mikrowellenabsorption gewählt. Dafür wird das Werkzeug in Schalenbauweise mit einem Mikrowellen-Reflektierenden Werkstoff hergestellt. In unmittelbarer Bauteilnähe wird eine Absorberschicht verdruckt. Magnetrone emittieren die benötigten Mikrowellen und werden nach dem additiven Fertigungsprozess installiert.
Vorgehen
Kern des Projektes ist die Entwicklung eines Werkstoffes zur Mikrowellenabsorption und eines weiteren Werkstoffes zur Mikrowellenreflexion. Hierfür werden einige Polymermatrizen mit relevanten Filler-Werkstoffen strategisch kombiniert und evaluiert. Die komplexe Permittivität bei 2,45 GHz gilt als zentrales Bewertungskriterium dieser Werkstoffe. Anschließend werden Konstruktionsrichtlinien im Sinne des Design for Additive Manufacturing abgeleitet. Dazu gehören die nötigen dicken der Absorber- und Reflektor-Schichten, die Positionierung der Magnetrone und Maßnahmen zur Optimierung der Wärmekapazität sowie Abkühl- und Aufheizzeiten. Die Ergebnisse sollen abschließend anhand eines Anwendungsbeispiels von HL Kunststofftechnik GmbH demonstriert werden.
Danksagung
Der Lehrstuhl bedankt sich für die Förderung des Projektes (MIKWERK), die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter der Schiene „ZIM: Produktionsforschung“ gewährt wurde. (Förderkennzeichen: KK5135826HD3).
Ansprechpartner
Maximilian Schäffler, M.Sc.; Dipl.-Ing. Thomas Wettemann