Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
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Tapebasierte Leichtbaustrukturen

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Thermoplastischer 3D-Tapeleger bei der Herstellung einer patientengerechten faserverstärkten Orthese.
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Thermoplastischer 2D-Tapeleger bei der Herstellung eines last- und verschnitt- optimierten Tape-Laminats (Tailored Laminate)

Hohe Festigkeit bei geringem Gewicht sowie gleichzeitig serientaugliche Fertigung und Recyclingfähigkeit: Diese Kombination macht thermoplastische Tape-basierte Leichtbaustrukturen so attraktiv, etwa für Großserien-Anwendungen wie im Automobilbau aber auch zunehmend in anderen Industrien wie Luftfahrt aufgrund der wachsenden Bedeutung der Kreislaufähigkeit und Automatisierbarkeit. Dabei werden endlose Verstärkungsfasern mit hohen Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften (aus z.B. Glas, Carbon oder auch Hanf) mit thermoplastischer Matrix zu dünnen unidirektional-verstärkten Einzelschichten (UD-Tapes) kombiniert, wobei jeweils sehr hohe mechanische Eigenschaften in Faserrichtung vorliegen. In einem nachgelagerten Schritt werden die UD-Tape-Einzelschichten zu einem Laminat zusammengefügt und dabei die Orientierung der Einzelschichten optimal entsprechend der späteren Bauteilbelastung vorgenommen.

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Bauteilprüfung und Validierung von optimierter Tape-basierter Leichtbaustruktur am Beispiel eines Frontendmoduls für Automobilanwendungen
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Entwicklung von serientauglichen Prozess- und Automatisierungskonzepten am Beispiel einer Kindersitz-Herstellung mittels Hybridspritzguss und Endlosfasereinleger unter Einsatz eines Vorform-Greifer zur Realisierung komplexer Umformungen

Die Erforschung und Weiterentwicklung von Tape-basierten Leichtbaustrukturen durch material- und verfahrenstechnische Lösungen ist einer der Forschungsschwerpunkte am Fraunhofer IMWS. Insbesondere bieten wir innovative Ansätze sowohl für die Entwicklung von eigenschaftsoptimierten Tape-Halbzeugen als auch für das Design und die Herstellung von Tape-basierten Leichtbaustrukturen. In hybriden Fertigungsprozessen können das Thermoformen von endlosfaserverstärkten Laminateinlegern mit dem Spritzguss von kurzfaserverstärkten Thermoplasten kombiniert werden und so die Vorteile der jeweiligen Thermoplastegruppe (hohe mechanische Eigenschaften / komplexe Formgebung & wirtschaftliche Fertigung) für die serientaugliche Herstellung von Leichtbaukomponenten optimal genutzt werden. Weitere Verarbeitungs- und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich durch das thermoplastische Tape-Wickeln sowie 2D- und 3D- Tapelegen zur Herstellung von belastungsgerechten, materialeffizienten sowie maßgeschneiderten Laminaten und Bauteilen. Unsere Expertise umfasst insbesondere:

 

  • Bauteilentwicklung und -design: belastungs- und fertigungsgerechtes Bauteildesign, Prozess- und Struktursimulation;
  • Entwicklung sowie Optimierung von Prozess- und Automatisierungskonzepten: Hybrid-Spritzgusstechnologie in Kombination mit Thermoformen von Laminateinlegern, 2D-Tapelegen zur Herstellung von maßgeschneiderten Laminaten, 3D-Tapelegen zur Herstellung von lastoptimierten Bauteilen auch für kleine Stückzahlen in Kombination mit 3D-Druck, Tape-Wickeln zur Herstellung lastoptimierten rotationssymmetrischen Bauteilen;
  • Validierung von Bauteildemonstratoren: Fertigung von Prototypen, Nullserien, Kleinserien und Abmusterungen; Erprobung und Validierung
  • Bewertung: Prüfung von Tape-basierten Leichtbaustrukturen und Halbzeugen,
  • Materialentwicklung: Entwicklung und Herstellung von eigenschaftsoptimierten Tape-Halbzeugen mit Fokus auf Hochleistungsmaterialien und nachhaltige Halbzeuge auf Basis Bio- und Recycling-Komponenten.

Dabei findet am Fraunhofer IMWS der Zusammenhang zwischen Material, Verarbeitungseinflüssen und den resultierenden Werkstoff- und Halbzeug-Eigenschaften besondere Beachtung. Die Umsetzung prozesstechnischer Aufgabestellungen erfolgt vom Labor- bis in den Pilotmaßstab, damit eine flexible und schnelle Überführung von Entwicklungsergebnissen in die industrielle Anwendung möglich wird.