Thermoplastische Bandwicklung: Verkürzung der Markteinführungszeit
01. Februar 2022 | Blog
INOMETA und Teijin analysierten die grundlegenden Herstellungsparameter von thermoplastischen Hochleistungsbändern im laserunterstützten Wickelverfahren, um eine schnelle und transparente Bauteilentwicklung für kommende Marktanforderungen zu ermöglichen. Das Wickeln von Bändern ist ein Wegbereiter für höhere Produktivität, Kostensenkung und das Ziel einer automatisierten Produktion.
Kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste (CFRTP) werden oft in einem Atemzug mit Vorteilen wie Chemikalienbeständigkeit, Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Haltbarkeit, Schlagverhalten, Serienfähigkeit und Nachhaltigkeit genannt. In der Luft- und Raumfahrt sind geringes Gewicht, Leistung und Verarbeitbarkeit entscheidende Faktoren, und die weltweite Nachfrage nach thermoplastischen Werkstoffen steigt. Diese Werkstoffe könnten eine führende Rolle dabei spielen, den Treibstoffverbrauch eines Flugzeugs über die gesamte Lebensdauer deutlich zu senken, die Flugreichweite zu verlängern, die Emissionen erheblich zu reduzieren und sich auf die Recyclingzyklen der Zukunft vorzubereiten, und darüber hinaus die Herstellung von Flugzeugen kosteneffizienter zu gestalten. Als Teil seines Hochleistungsportfolios hat Teijin eine breite Palette von Tenax™ ThermoPlastic UniDirectional (TPUD) Prepreg-Materialien entwickelt. Diese Bänder basieren in der Regel auf speziell entwickelten Kohlenstofffasern in Kombination mit Polyetheretherketon (PEEK), niedrigschmelzendem Polyaryletherketon (LM-PAEK) oder Polyphenylensulfid (PPS), um schnelle Verarbeitungszeiten bei hoher mechanischer Leistungsfähigkeit der Endkomponenten und Anwendungen zu ermöglichen.
INOMETA, ein führender Auftragsfertiger mit Expertise im Leichtbau unter Verwendung von Aluminium und Verbundwerkstoffen, hat eine neue und optimierte lasergestützte Bandwickeltechnik entwickelt, um die oben genannten Hochleistungsbänder zu verarbeiten. Das Bandwickeln ermöglicht eine in-situ-Verfestigung der Bänder, wodurch nachfolgende Prozessschritte entfallen. Die Kombination von Hochleistungsklebebändern und Bandwickeltechnik ermöglicht somit eine höhere Produktivität, eine Kostenreduzierung und das Ziel einer automatisierten Produktion.
INOMETA und Teijin haben festgestellt, dass thermoplastische Verbundwerkstoffe, die auf dem Wickelverfahren basieren, ein relativ neues Feld für industrielle Anwendungen darstellen. Einerseits ist der Markt mit einem hohen Grad an Neuartigkeit (Prozesse und Materialien) konfrontiert, was zu einem Mangel an Kundenwissen und Erfahrung mit diesen neuen Möglichkeiten führt. Andererseits verwendet der Industriemarkt etablierte Bauteillösungen, die auf duroplastischen oder metallischen Werkstoffen basieren, so dass die Hersteller von Bauteilen und Rohstoffen kurzfristig zuverlässige CFRTP-Lösungen anbieten müssen, um die Entscheidungsfindung ihrer Kunden zu unterstützen. Für diese Kunden sind die Entwicklungszeiten sehr kurz. INOMETA und Teijin vereinbarten eine technische Partnerschaft, um diese Situation zu lösen. Um die Zeit bis zur Marktreife deutlich zu verkürzen, analysierten sie die wichtigsten Material- und Prozessparameter im Detail mit Blick auf spezifische Anwendungsfälle.
Zeit bis zur Markteinführung
Time to Market (TTM) ist die Zeit, die vergeht, bis eine Produktidee zur Marktreife entwickelt ist, so dass entweder ein neues Produkt auf den Markt gebracht werden kann oder ein bestehendes Produkt durch eine verbesserte thermoplastische Alternative ersetzt werden kann. Wesentliche Einflussfaktoren während der Produktentwicklung sind der Nachweis der grundsätzlichen Prozess- und Materialeignung sowie die Darstellung eines interessanten Business Case durch eine reduzierte Anzahl von Bauteilen oder eine verbesserte Bauteilleistung. Danach stehen Prozessrobustheit, verlässliche Materialdaten und bauteilspezifische Leistungsindikatoren im Fokus.Teijin und INOMETA haben diese Entwicklungsfragen in einem iterativen Prozess angegangen, um akzeptable Basisparameter zu identifizieren. Diese wurden für gemeinsame Kundenprojekte verwendet, wodurch die kundenspezifischen Entwicklungszeiten und -kosten erheblich reduziert wurden.
Für die meisten Kunden sind thermoplastische UD-Bänder und die lasergestützte Bandwicklung Neuland. Der Aufbau von Vertrauen ist daher auch für den Kunden ein wesentlicher Faktor und war ein Ziel der Zusammenarbeit. Insgesamt hat die anfängliche Evaluierungsarbeit von INOMETA und Teijin den Kunden die notwendigen Informationen hinsichtlich Verarbeitungsgeschwindigkeit, Materialeigenschaften und Bauteilpreisen geliefert, ohne lange Entwicklungszeiten von Grund auf zu verzögern. Den Kunden so früh wie möglich im Projekt mit wertvollen Erkenntnissen über Material und Prozess zu versorgen, ist eine Grundvoraussetzung für schnellen Fortschritt und eine kurze TTM. Oft sind die Kunden neugierig darauf, das Neuland für ihre Anwendung zu erkunden. Da die meisten Anwendungen bereits im Einsatz sind, konkurrieren Thermoplaste mit bestehenden Werkstoffen, Prozessen und Versorgungskonzepten.Der erste Schritt ist die Vertrauensbildung. Der Kunde möchte ähnliche bestehende Anwendungsfälle für Thermoplaste sehen und sicher sein, dass Prozessrobustheit, Teilequalität und Materialreife für eine Serienanwendung bereit sind. Die Bereitstellung von belastbaren Daten, die diese Bedenken ausräumen, ist ein wichtiges Ziel von INOMETA und Teijin, da dies zu Beginn ein Hindernis für die Verlängerung des TTM sein kann.
Der zweite Schritt ist die Bereitstellung realistischer Wirtschaftsdaten. Zu konservativ zu sein, kann zu einem unattraktiven Business Case für den Kunden führen, selbst wenn noch Preis-/Leistungsvorteile zu erzielen sind, da bei der Umstellung bestehender und funktionierender Materialkonzepte immer eine Risikoaversion besteht. Zu ehrgeizige wirtschaftliche Annahmen konterkarieren das im ersten Schritt aufgebaute Vertrauen, wenn bekannt wird, dass zuvor prognostizierte Bestückungsgeschwindigkeiten oder Bauteilqualitäten nicht erreicht werden können. Trotz dieser Vorarbeiten wird es im TTM immer wieder kundenspezifische Aspekte geben, die zu berücksichtigen sind. Dazu gehören die Anpassung der Rückmeldungen an die endgültige Kundengeometrie und deren Laminataufbau, die Optimierung der Materialauswahl (z.B. Tape-Breite) und die anwendungsspezifische Prüfung von Probekörpern oder sogar Bauteilen, da die Motivation zum Einsatz von thermoplastischen Verbundwerkstoffen von Branche zu Branche unterschiedlich ist. Die wesentlichen Vorarbeiten zur Bereitstellung der besprochenen Informationen sind in zwei Arbeitspakete unterteilt. Das erste zielt auf die Herstellungsversuche selbst ab. Ziel ist es, ein akzeptables Verarbeitungsfenster für verschiedene Dorndurchmesser und Bandaufbauten zu ermitteln sowie wirtschaftliche Parameter wie die Wickelgeschwindigkeit zu optimieren. Das zweite Arbeitspaket zielt auf die Quantifizierung der Wechselwirkungen zwischen dem Wickelprozess (Verarbeitungstemperatur und Wickelgeschwindigkeit) und den Qualitätsparametern (Kristallinität und Konsolidierungsqualität) ab. Auf diese Weise soll ein wirtschaftliches Verarbeitungsfenster identifiziert werden, bei dem eine ausgezeichnete Teilequalität erhalten bleibt.
Tieferes Material- und Prozessverständnis
Beschleunigte Entwicklungszyklen in industriellen Anwendungen erschweren die Integration neuer Material- und Bauteilkonzepte in bereits etablierte Anwendungen. Der Zeitmangel bei der Suche nach dem idealen Prozess- und Material-Setup kann zu unzureichenden Lösungen führen, die das neue Konzept nicht attraktiv genug machen. Solche unzureichenden Lösungen sind sowohl auf der Material- als auch auf der Prozessseite zu finden:
- Material: Eine sehr kurze Entwicklungszeit geht mit einem verkürzten Materialauswahlprozess einher. Manchmal führt ein zu konservatives Vorgehen zu einem Over-Engineering, indem ein PEEK-Material gewählt wird, obwohl ein wirtschaftlicheres Material (z. B. PPS) besser wäre. Auch die falsche Wahl der geeigneten Faser (z. B. HT oder IM) und der idealen Bandbreite sind häufige Fehler.
- Verfahren: Die Herstellung der bestmöglichen Prototypen kann dazu führen, dass konservative Bestückungsgeschwindigkeiten gewählt werden. Die fehlende Zeit, um ein gutes Gleichgewicht zwischen Bauteilqualität und Prozessparametern (Bestückungsgeschwindigkeit, Klebebandbreite und Klebebanddicke) zu finden, lässt das wirtschaftliche Potenzial auf der Strecke bleiben.
Die Überwindung dieser Schwachstellen ist das Hauptziel dieser Partnerschaft. Der robotergestützte Wickelprozess bietet dafür eine ideale Grundlage, da entscheidende Maschinenparameter, die die Teilequalität beeinflussen, ständig gemessen werden. So lässt sich nicht nur verfolgen, welche Bandchargen für welche Teile bestimmt sind, sondern auch, ob Parameter wie Wickelgeschwindigkeit, Nip-Temperatur oder Konsolidierungsdruck für jede Bandlage innerhalb akzeptabler Grenzwerte liegen. Die Verfolgung dieser Parameter in Kombination mit einer visuellen Inspektion der gewickelten Teile zur Bewertung der Oberflächenqualität und der gewählten Spalt- bzw. Überlappungseinstellungen ermöglicht es, eine gute materialspezifische Grundeinstellung für künftige Projekte mit den High-End-Materialien von Teijin zu ermitteln. Die Verwendung dieses guten Basisszenarios ermöglicht die Anpassung an den Laminataufbau/die Geometrie des Kunden in einer wesentlich kürzeren, akzeptablen Zeit.
Ein Teil der anfänglichen Arbeit von INOMETA und Teijin bestand in der Analyse verschiedener Wickelwinkel bei unterschiedlichen Bestückungsgeschwindigkeiten. Bisher basierte die analytische Prüfung auf mikroskopischen Querschnitten, thermischen Analysen (DSC) und Faservolumenmessungen. Die mikroskopischen Querschnitte dienen der Beurteilung der Verfestigungsqualität und der Überprüfung des Laminats auf sichtbare Fehler wie Porosität (zwischen den Lagen), Hohlräume im Band oder systematische Verarbeitungsfehler wie Überlappungen oder Lücken. Derartige Defekte würden sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften auswirken.
Weitere Schritte
Die Probenahme und Analyse wurde nicht nur für das CF/PEEK-Material von Teijin durchgeführt, sondern auch für CF/PPS und CF/LM-PAEK. Ein wesentliches Ergebnis der bisherigen Zusammenarbeit ist die Erstellung von Vorbewertungsblättern für das Materialportfolio von Teijin, die das erwähnte Basisszenario erfassen. Das grundlegende Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Material und Prozess und damit der wirtschaftlichen Effizienz für ausgewählte Anwendungsfälle ist hilfreich, um thermoplastisch gewickelte Verbundlösungen mit Leistungs- und Preisvorteilen in immer mehr Märkten zu etablieren.in den kommenden Monaten werden mechanische Tests und zusätzliche Versuche zur weiteren Verbesserung der Wickelgeschwindigkeiten und damit des wirtschaftlichen Potenzials durchgeführt. Die ersten Ergebnisse der Partnerschaft werden bereits in gemeinsamen Kundenprojekten unter Verwendung des Teijin-Bandmaterials eingesetzt.