IMCOLOR – Spritzguss mit lokalen Endlosfaserverstärkungen

In IMCOLOR wird das Verdichtergehäuse einer Klimaanlage eines Verkehrsflugzeuges im Spritzgussverfahren produziert, wobei zur lokalen Verstärkung Endlosfasern aus Kohlenstoff eingesetzt werden.

Projektpartner
apppex, FACC, TPRC, Liebherr Aerospace (Topic Manager)

Laufzeit
01.02.2017 – 31.07.2020

Fördergeber
Europäische Kommission: Horizon 2020 - Clean Sky 2

Motivation
Das Hauptziel besteht in der Entwicklung einer neuen Prozessroute für die Synthese von Spritzguss und thermoplastischem Automated Fiber Placement mit in-situ Konsolidierung (TP-AFPisc), um ein endlosfaserverstärktes Klimaanlagengehäuse aus einem Hochleistungskunststoff wie PEEK zu bauen. Der TP-AFPisc Prozess stellt einen Wandel gegenüber herkömmlichen Verfahren dar, bei denen Verbundwerkstoffe in mehreren Schritten hergestellt werden: Es vereint die Ablage des Materials und dessen Konsolidierung in einem Schritt in einem additiven Fertigungsverfahren ohne einen energieintensiven Autoklav. Das Spritzgießen von PEEK ist eine Herausforderung in Kombination mit Hinterschnitten und thermoplastischen Verbundeinlegeteilen. Üblicherweise werden diese Einleger nur einseitig umspritzt, damit sie während der Injektion der Schmelze nicht verrutschen oder deformieren. Dann gibt es aber keine vollständige Kapselung der empfindlichen Fasern des Einlegeteils, die die freiliegenden Fasern schützen könnte oder eine Oberflächenqualität nach Spritzgussstandards sicherstellen könnte. Daher nutzt IMCOLOR eine innovative verlorene Kerntechnologie und lastpfadgerechte Einlegeteile aus Verbundwerkstoffen die im TP-AFPisc hergestellt und mit PEEK umspritzt werden.

Vorgehen
Ziel ist es, eine Synergie zwischen dem Spritzguss und dem TP-AFPisc Prozess zu schaffen, die zukünftigen Leichtbaustrukturen einerseits eine hohe mechanische Leistungsfähigkeit ermöglicht und andererseits durch automatisierte Produktionstechniken unter umweltfreundlichen Bedingungen herzustellen sind. Der Spritzguss ist eine weitverbreitete Technologie um Kunststoffteile herzustellen, aber muss sich prozessbedingt auf Kurzfaserverstärkungen beschränken. Er ermöglicht eine hohe Designfreiheit sowie hohe Produktionsraten. In hochbelasteten Strukturen sind Endlosfaserverstärkungen wegen ihrer hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften nötig. Während dem Gießprozess ist deren Einsatz jedoch nicht möglich. IMCOLOR füllt diese Lücke und ermöglicht eine effiziente Materialausnutzung. Die teure Endlosfaser wird nur in den kritischen Querschnitten des Bauteils eingebracht. Der Lagenaufbau wird genau an die Nutzeranforderungen angepasst, indem TP-AFPisc Einlegeteile eingesetzt werden. Der Aufwand für das Besäumen der Verbundbauteile ist minimal und der Verschnitt sehr gering. Es ist keine Oberflächenbehandlung der Einlegeteile nötig, da sie sich mit dem Spritzgussmaterial durch Autohäsion während der Injektion verbinden. Das Fertigteil profitiert von der hochbelastbaren Endlosfaser, die komplett vom Spritzgussmaterial umhüllt ist. Durch den Spritzguss ergeben sich Vorteile in Bezug auf die Oberflächengüte, Toleranzen und Schutz vor Umgebungseinflüssen (z.B. Eindringkörper, korrosive Medien) der empfindlichen Faserstruktur. Die Fortschritte des Projekts werden in der Prozesstechnik als auch in der Materialauswahl anhand von Demonstratorbauteilen gezeigt werden. Das Konsortium wird die Eignung der Neuentwicklungen für Luftfahranwendungen mittels Prozessversuchen, mechanischen Versuchen und Computertomographie aufzeigen.

Publikationsliste
JEC 2019, CORDIS - EU research results
Boos, D.; Scherzer, T.; Kind, K.; Zaremba, S.; Drechsler, K.: Towards a Robust, Water-Soluble, Lost Core Material – part one: Unreinforced, Binder-Free Salt. Journal of Plastics Technology, 19 (3), 2023, 118-164. DOI: 10.3139/O999.01032023.

Danksagung
Europäische Kommission, Grant Agreement ID: 738131