Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSDie Verwendung von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffen ermöglicht die effiziente Herstellung von Leichtbaustrukturen in großserientauglichen Fertigungsverfahren wie der Hybrid-Spritzguss-Technologie.
Für viele Branchen stellen unidirektionale (UD) Tape-Halbzeuge mit Kohlenstoff- oder Glasfaser einen guten Kompromiss bezüglich mechanischer Eigenschaften und einer wirtschaftlichen Fertigung dar. Die in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellten Tapes werden in weiteren Prozessschritten zu Laminaten gestapelt und konsolidiert. Die konsolidierten zweidimensionalen Halbzeuge werden anschließend in geschlossenen Werkzeugen zu 3D-Bauteilen umgeformt und per Spritzguss funktionalisiert.
Damit der Einsatz in sicherheitsrelevanten Bauteilen ermöglich werden kann, müssen jedoch Schwankungen der Materialeigenschaften in Breiten- und Längenrichtung detektiert und lückenlos dokumentiert werden. Hierbei spielen Merkmale wie z. B. Tapedicke, Homogenität, Imprägnierung sowie das Faservolumen eine entscheidende Rolle.
Der wirtschaftliche Einsatz von UD-Tapes wird dann ermöglicht, wenn die Qualität früh in der Wertschöpfungskette erfasst und somit der Ausschuss minimiert werden kann. Hierbei ist eine Inlineprüfung und Dokumentation während der Tapeherstellung besonders interessant. Im Kontext der gesamten Bauteilherstellung kann eine weitere Verminderung von Ausschuss erzielt werden, wenn von klassischen Fehlerschwellen Abstand genommen wird. Indem die hochaufgelösten, ortsgenauen Materialcharakteristika in einen digitalen Zwilling eingespeist werden, können die Tapes, angepasst an die Qualitätsklasse, an entsprechende Positionen im Bauteil platziert werden.
Unidirektionale thermoplastische Endlosfasertapes können durch verschiedene Fertigungsprozesse hergestellt werden. Gängige Verfahren sind die Produktion mittels Pulver- und Folienimprägnierung. Seit einigen Jahren werden Anlagen entwickelt, die UD-Tapes durch Schmelzdirektimprägnierung herstellen. Diese weisen große Vorteile in wirtschaftlicher wie auch mechanischer Hinsicht auf. Im Projekt »DigitalTPC« wurde die am Fraunhofer PAZ installierte UD500-Anlage zur Herstellung von UD-Tapes mittels Schmelzdirektimprägnierung vom Hersteller KraussMaffei verwendet.
UD-Tapes müssen abhängig vom Endprodukt verschiedene Qualitätskriterien einhalten. So stellen Produkte zur Dekoration wie z. B. Interieurbauteile im Automobilbereich deutlich geringere Qualitätsansprüche als strukturrelevante Bauteile. Typische Fehler bei der Herstellung von UD-Tapes sind Dickenabweichungen, Gassenbildung, trockene Stellen, Faservolumenschwankungen und Faserondulationen, die sich unterschiedlich stark auf die mechanischen Eigenschaften auswirken können.