Biegetechnologie für faserverstärkte Kunststoffe

Am Fraunhofer IGCV erforschen wir Biegetechnologien zur kontrollierten, thermisch unterstützten Verformung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen.

Biegen zählt zu den umformenden Fertigungsverfahren, bei denen Materialien durch gezielte Krafteinwirkung dauerhaft in neue, meist komplexe Geometrien gebracht werden – ohne Zerspanung oder Formverlust. Im Bereich der faserverstärkten Verbundwerkstoffe kommt es besonders auf die Materialeigenschaften an. Im Gegensatz zur metallischen Umformung, bei der plastische Verformung möglich ist, müssen faserverstärkte Verbundwerkstoffe (FVK) gezielt unter Wäremeintrag in Form gebracht werden, um ihre Umformbarkeit zu gewährleisten.

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Umformtechnologien wie das Biegen und Thermoformen ermöglichen die präzise Verformung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff unter kontrollierten Bedingungen. Dabei ist es entscheidend, die Fasern vor Beschädigungen oder Bruch zu schützen und die Matrix unversehrt zu halten, um die mechanischen Eigenschaften zu erhalten und Delaminationen oder Risse zu vermeiden. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen hängt das Verformungsverhalten dieser Materialien von der Faserarchitektur, den Matrixeigenschaften und dem Laminataufbau ab. Diese Verfahren werden entweder im formbaren Zustand angewendet, etwa bei Prepreg- oder B-Stage-Materialien, oder sie erfordern spezielle Erwärmungstechniken, besonders bei thermoplastischen Werkstoffen.

Anwendungsmöglichkeiten der Biegetechnologie

Die Biegeumformung bietet ein breites Spektrum industrieller Einsatzmöglichkeiten – insbesondere dort, wo Leichtbau, hohe Steifigkeit und konstruktive Flexibilität gefordert sind. Durch die gezielte Formgebung thermoplastischer Halbzeuge können Bauteile lastpfadgerecht ausgelegt und mechanisch optimiert werden, ohne zusätzliches Material oder Gewicht einzubringen.

Ein zentrales Anwendungsfeld liegt in Spritzgussstrukturen (DRIFT-Technologie), bei denen gebogene Einleger oder Skelettstrukturen als tragende Verstärkungselemente fungieren. Diese Integration führt zu Bauteilen mit hoher Funktionsdichte, verbesserter Steifigkeit und reduziertem Gewicht.

Darüber hinaus kann die Biegeumformung bei der Herstellung thermoplastischer Rohrleitungssysteme eingesetzt werden, um komplexe Geometrien mit hoher Formgenauigkeit und Dimensionsstabilität zu realisieren. Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Ersatz metallischer und duroplastischer Armierungselemente durch umformbare faserverstärkte thermoplastische Strukturen. Dadurch lassen sich Gewicht, Korrosionsanfälligkeit und Instandhaltungsaufwand deutlich reduzieren.

Die Biegetechnologie findet somit in zahlreichen Branchen Anwendung – von der Automobil- und Luftfahrtindustrie bis hin zur Bau- und Kunststofftechnik.

Eine innovative Ausprägung dieser Technologie basiert auf dem Prinzip des Rotationszugbiegens, ursprünglich aus der Metallverarbeitung, und wurde im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts DRIFT für die Verarbeitung von thermoplastischen, endlosfaserverstärkten Profilen adaptiert. Entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller WAFIOS, spielt das Fraunhofer IGCV eine zentrale Rolle bei der werkstoffgerechten Weiterentwicklung und Umsetzung.

Durch die Integration einer Heizeinheit, derzeit in Form einer Kontaktheizung, wird die thermoplastische Matrix gezielt auf die erforderliche Umformtemperatur gebracht. Das Erhitzen des Profils im Biegebereich erweicht die thermoplastische Matrix, wodurch ein Biegen mit variablen Radien und Biegelängen ermöglicht wird. Dies ermöglicht das lokale und präzise Umformen der endlosfaserverstärkten Composite-Profile mit hoher Formgenauigkeit und minimaler Schädigung der Faserstruktur.

Diese Biegetechnologie erlaubt das Umformen kontinuierlich faserverstärkter, thermoplastischer Profile mit unterschiedlichen Geometrien, wie Stäben, Rohren und Flachprofilen. Durch die variable Programmierung können verschiedene Biegegeometrien realisiert werden.

Zu Beginn des Biegeprozesses wird das Profil in die Spannzange der Maschine eingelegt. Mithilfe von Roboterunterstützung wird das Profil in die Heizeinheit geführt und dort für eine festgelegte Zeit aufgewärmt, sodass die thermoplastische Matrix erweicht. Nach dem Erwärmen öffnet sich die Heizung, und das Profil wird zum Biegewerkzeug geführt. Der Roboter sorgt dabei dafür, dass das erweichte Bauteil seine Form behält und nicht absackt.

Im Biegewerkzeug wird das Profil zwischen Werkzeug und Spannbacke fixiert. Durch die Rotationsbewegung des Biegekopfes wird das Profil auf den gewünschten Winkel gebogen. Unterschiedliche Werkzeuge ermöglichen die Realisierung variabler Biegeradien und -winkel. Anschließend kühlt das Bauteil im Werkzeug ab, entweder passiv durch Umgebungsluft oder aktiv durch Druckluftkühlung.

Der Prozess wird für jede weitere Biegestelle wiederholt, wodurch komplexe dreidimensionale Geometrien innerhalb der Anlagenkapazitäten gefertigt werden können. Um die Prozesszeiten zu verkürzen, kann das Aufheizen der nächsten Biegestelle bereits während des Abkühlvorgangs der aktuellen Biegung erfolgen.

Allgemein:

• Biegen von Rohren bis zu einem Durchmesser von 35 mm
• Temperaturen: bis zu 350 °C mit Kontaktheizung (Heizung des Thermoplasts durch Kontaktheizung, erweiterbar auf andere Heizarten wie Heißluft, Infrarot, Induktion, …)
• Roboterunterstützung: Verbesserte Komponentenstabilität während des Biegens

Angepasst an alle Arten von technischen Fasern

Maßgeschneiderte Eigenschaften:

• Biegevorgang kann an spezifische Profile/Biegegeometrien angepasst werden
• Biegen von 2- oder 3-dimensionalen Teilen

Flexibles Setup:

• 8 CNC-Achsen ermöglichen komplexe Biegegeometrien
• Individuell gestaltete Biegewerkzeuge für verschiedene Formen (rund, oval, flach usw.)
• Fähig, in zwei Richtungen zu biegen (links/rechts)

Einsatzgebiete:

• Biegen von komplexen Geometrien
• Lastpfadgerechte Verstärkung
• Verringerung von Komplexität bei Zusammenbau mehrerer gerader Profile: Biegen eliminiert Verbindungsstellen
• Infrastruktur, Sport und Freizeit, Luftfahrt, Automobil

Forschungsfokus
 

• Biegen von kontinuierlich faserverstärkten Stäben
• Biegen von Hohlprofilen, z. B. Rohren, quadratischen Rohren
• Einfluss von Faserorientierung und additiven Materialien auf das Biegeverhalten und die Prozessgeschwindigkeit
• Untersuchung verschiedener Heizansätze
• Reduzierung der Zykluszeiten durch Erhöhung der Biegegeschwindigkeit sowie Optimierung der Heiz- und Kühlzeiten
• Untersuchung/Verbesserung des Biegebereichs

Forschungsprojekte

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