Pultrusion

Ein wichtiger Forschungsaspekt des Fachbereiches Pultrusion ist die Bemusterung von neu entwickelten Harzsystemen, textilen Halbzeugen sowie Faser- und Schlichtesystemen.

Durch umfangreiche Expertise mit der Verarbeitung aller gängigen Matrixsysteme (Polyester, Vinylester, Epoxy, Polyurethan, …), Spezialharzen sowie Standard-Faserarten (Carbon, Glas, Basalt, …) und Sonderfasern kann die Verarbeitbarkeit verschiedener Materialien untersucht werden. Zusammen mit unseren Auftraggebern arbeiten wir an einer Weiterentwicklung und Optimierung der Halbzeuge um Composite mit maximaler Leistungsfähigkeit herstellen zu können.

Lesen Sie hier unsere Kundenreferenzen: Covestro

Ein zentraler Entwicklungsaspekt vieler Forschungs- und Kundenaufträge ist die individuelle Anpassung und Weiterentwicklung unserer Anlagentechnik.

Das Fraunhofer IGCV verfügt über einen umfangreichen Maschinenpark im industriellen Maßstab. Dieser wird stetig projekt- und bedarfsgerecht weiterentwickelt. Gerne übernehmen wir diesen Forschungsaspekt auch für oder gemeinsam mit unseren Kunden.

Ein besonderes Aufgabenfeld in der Pultrusionstechnologie stellt die Faser- und Halbzeugführung dar.

Dies bildet vor allem bei größeren Profilen und dem Einsatz von Faserhalbzeugen eine anspruchsvolle Herausforderung. Durch die jahrelange Erfahrung in der Pultrusion von komplexen Geometrien und Verstärkungsarten können Auslegung und Design von Faser- und Halbzeugführung problemlos umgesetzt werden, um eine reibungslose Pultrusion sicherzustellen.

Eine Kernkompetenz des Fraunhofer IGCV stellt die Auslegung und das Design von Pultrusionswerkzeugen dar.

Neben der pultrusions- und fertigungsgerechten Ausführung können spezielle Kundenanforderungen realisiert und beispielsweise weitere Funktionselemente in das Werkzeug implementiert werden.

Um ein FVK-Profil mit höchstmöglichen mechanischen Eigenschaften zu erhalten, stellt eine optimale Imprägnierung des Fasermaterials durch die Harzmatrix die Grundlage dar.

Neben den im Pultrusionsprozess üblichen Imprägnierungsvarianten des offenen Tränkbads („Straight-through-bath“) kommt verstärkt auch die Methode einer Injektions- und Imprägnierungskammer zum Einsatz. Diese kann in das Werkzeug integriert oder separat dem Werkzeug vorgeschaltet werden. Ausschlaggebend sind hierfür der Einsatz von Harzsystemen mit niedrigen Topfzeiten (bspw. Polyurethan) und die Verringerung von Emissionen.

Um im konkreten Anwendungsfall die Vorzüge einer Injektions- und Imprägnierungskammer optimal ausschöpfen zu können ist eine Auslegung der Kammergeometrie sowie des Injektionskonzepts unabdingbar und stellt ein Kernkompetenzfeld des Fachbereichs Pultrusion am Fraunhofer IGCV dar.

Die Fabrikplanung lässt sich in mehrere Ebenen gliedern.

Eine dieser Ebenen ist die Prozessebene, in der zum Beispiel ein Pultrusionsprozess betrachtet wird. Auf der nächsten Ebene wird dieser Pultrusionsprozess mit den vor- und nachgelagerten Prozessen zu einer Prozesskette verbunden. Die optimale Planung einer solchen Prozesskette sowie deren anschließende Integration in ein bestehendes Produktionssystem bzw. die Konzeptionierung eines neues Produktionssystems sind zentrale Fragestellungen in der Fabrikplanung.

Aufgrund der Konvergenz von Prozesswissen rund um die Pultrusion und planerischer Expertise aus unterschiedlichen Fabrikplanungsprojekten innerhalb des IGCV beraten wir Sie gerne zu allen Fragestellungen in diesem Bereich.

Als Forschungsinstitut, das den Fokus auf Anwendungsorientierung legt, sind wir in zahlreichen geförderten Forschungsprojekten beteiligt.

Mit unseren Partnern forschen wir anwendungsorientiert und nah am Markt, um den größtmöglichen Nutzen für unsere Kunden zu erzielen und Innovationen für die Gesellschaft zu entwickeln und voranzutreiben.

Eine Auswahl abgeschlossener und aktueller Forschungsprojekte:

• PulForm: Energieeffiziente Herstellung komplexer Hochleistungsfaserverbundbauteile mittels Pultrusion, In-Line Flechten, Blasumformung und Endbearbeitung
  
• PULaCell: Biobasierte Polyurethan Verstärkungslamelle mit Cellulosefasern für Holzkonstruktionen
• AIF Funktionselemente in der Intralogistik
• ZIM SchwingPul
  

Im Zeitalter von Industrie 4.0 gilt es, eine direkte Kommunikation und Kooperation zwischen Mensch, Maschine, Anlage, Logistik und Produkt zu ermöglichen.

Vor diesem Hintergrund soll auch die Pultrusionstechnologie, als eines der ältesten Herstellungsverfahren für endlosfaserverstärkte Kunststoffe, auf eine neue digitale Ebene gehoben und eine intelligente sowie sinnvolle Maschinenvernetzungen hergestellt werden: Pultrusion 4.0. Unser Konzept dafür haben wir bereits im Rahmen einer Forschungsanlage demonstriert und unsere Partner unterstützen wir bei der Realisierung individueller Lösungen in ihren Unternehmen.

Um Fragen wie „Lohnt sich ein neuer Fertigungsprozess?“, „Welche Auswirkungen hat die Integration eines neuen Prozesses?“ oder auch „Wie rentabel sind alternative Prozessketten?“ zu beantworten werden oftmals Bilanzierungstools als Entscheidungsunterstützung genutzt.

Sie können Aussagen über verschiedenste Zielgrößen wie Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit, Qualität oder auch Energieeffizienz liefern. So können Investitionsentscheidungen fundiert getroffen und neue, zielgrößenoptimale Alternativen aufgezeigt werden. Rund um den Pultrusionsprozess ist am IGCV sowohl das Prozesswissen als auch die Erfahrung in der Kosten- und Ökobilanzierung vorhanden, um ihre Fragestellungen verlässlich zu beantworten.

Die lastpfadgerechte Auslegung von Pultrusionsprofilen wird durch ein auf Composites spezialisiertes Simulationsteam übernommen.

Hierbei ist ein vertieftes Verständnis für das Materialverhalten der anisotropen Werkstoffe und dahingehend in der Materialmodellierung vorhanden. Das Portfolio in der Struktursimulation reicht dabei von statischen Lastfällen bis hin zu Crashberechnungen. Mithilfe letzterer kann das komplexe Versagensverhalten der Pultrudate dargestellt werden.

Ein wichtiger Aspekt der anwendungsorientierten Forschung umfasst den Transfer und die Kombination von Technologien mit dem Pultrusionsprozess.

Das Projekt „PulForm“ ermöglicht eine energieeffiziente Herstellung komplexer Hochleistungsfaserverbundbauteile mittels Pultrusion, In-Line Flechten, Blasumformung und Endbearbeitung.

Die Übermittlung unserer theoretischen und praktischen Erfahrungen im Pultrusionsprozess an unsere Partner wird mittels speziell zugeschnittener Trainings umgesetzt. Die Inhalte können dabei sowohl auf Grundlagenebene vermittelt als auch speziell auf einen Anwendungsfall bezogen werden. Neben den theoretischen Grundlagen sind vor allem die praktischen Erfahrungen unmittelbar an der Pultrusionslinie unersetzbar für jeden, der tiefer in die Pultrusion einsteigen möchte.

Um ein detailliertes Verständnis für die Vorgänge bei der Imprägnierung des Fasermaterials durch das Harzsystem zu erhalten ist der Einsatz von Tränkungssimulationen essenziell.

So wird es möglich, für den spezifischen Anwendungsfall potentielle Probleme aufzudecken und frühzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen, bspw. durch Änderungen am Injektions- und Tränkungssystem.

Untersuchungsgebiete stellen unter anderem der Harzfluss durch das Faserpaket (Permeabilitätsverhalten), die Wärmeübertragung zwischen Werkzeug und Pultrudat sowie der Härtungsreaktionsverlauf des Harzsystems dar. Als wichtige Materialparameter werden dabei die Reaktionskinetik und der Viskositätsverlauf des Harzsystems während der Aushärtung sowie die Kompressibilität und Permeabilität des Fasermaterials berücksichtigt. Die dafür nötigen Kennwerte können am Institut ermittelt werden.

Im Pultrusionsprozess können bereits kleine Abweichungen in den Prozessparametern bzw. in der Hardware zu Problemen führen.

Dies kann eine Verschlechterung der Profilqualität bewirken oder gar dazu führen, dass eine kontinuierliche Pultrusion nicht möglich ist. Derartige Probleme zu erkennen und entsprechende Lösungsvorschläge zu präsentieren zählt zur Expertise des Fachbereichs Pultrusion am Fraunhofer IGCV.

Unsere Expertise bei der Verarbeitung von verschiedenartigen Harzsystemen: 

Wir unterstützen Sie bei der Entwicklung und Validierung Ihrer spezifischen Harzsysteme. Dabei profitieren Sie bereits in einer frühen Phase von unserem Know-how und können bedarfsgerecht auf unsere Unterstützung bis zur Serienreife zurückgreifen:

• Standardharzsysteme: Vinylester und ungesättigte Polyester
• Hochleistungsharzsysteme: Epoxy (Amin- und Anhydrid-Härtersysteme) und Polyurethan (aromatisches und aliphatisches PU)
• Spezialsysteme: biobasierte Harze, Hybridharze und Acrylate, …

Unsere Expertise bei der Verarbeitung von verschiedenartigen Faserarten und Textilien:

Wir unterstützen Sie bei Screening und Auswahl der Faserart und Fasertypen sowie den Textilien für den Laminataufbau. Dabei verfügen wir über fundierte Erfahrung bezüglich Roving, Matten, Gelege, Gewebe und weiteren textilen Halbzeugen sowie Geflechten.

Die Konfektionierung von textilen Halbzeugen im Institut oder in enger Abstimmung mit spezialisierten Partnern ermöglicht kurze Reaktionszeiten bei Optimierungen von Laminataufbauten während der Entwicklungskampagnen.

Infrastruktur und Pultrusionswerkzeuge:

Das IGCV verfügt über eine große Anzahl an Pultrusionswerkzeugen, die sowohl mit geschlossenen als auch offenen Imprägnierungsmethoden verwendet werden können. Zur Infrastruktur des Pultrusionstechnikums zählen unter andrem eine umfassende Prozessdatenerfassung (Drücke, Temperaturen, Kräfte etc.). Durch Interpretation der Daten mit Pultrusionsexperten am IGCV während der Entwicklungskampagnen wird die maximale Effizienz der Prozessentwicklung gewährleistet.

• Strauß, S.: „Development of a flexible injection and impregnation chamber for pultrusion of high reactive resins“ 23rd International Conference on Material Forming, Virtual Conference, May 2020
• Strauß, S.: „Pultrusion of Polyurethane and Applications“ 15th World Pultrusion Conference, Antwerp (Belgium), Feb. 2020
• Wilhelm, F.; Strauß, S.; Reiner C.: „Influence of power ultrasonic on the impregnation of unidirectional fibers in closed injection pultrusion” 22nd International Conference on Composite Materials (ICCM22), Melbourne (Australia),  Aug. 2019
• Strauß, S.; Meisenheimer R.; Hecking A.; Senz A.; Wilhelm, F.: „Manufacturing of predominatly bio-based composite profiles with pultrusion” 22nd International Conference on Composite Materials (ICCM22), Melbourne (Australia), Aug. 2019
• Strauß, S.: „Flexibility in Polyurethan Injection Molding“, North American Pultrusion Conference, Rosemont (United States), Apr. 2019
• Wilhelm, F.; Wiethaler J.; Karl R.: „Power ultrasonic in closed injection pultrusion”, 18th European Conference on Composite Materials (ECCM18), Athen (Greece), Jun. 2018
• Wilhelm F.; Strauß S.: „Current pultrusion research topics at Fraunhofer IGCV”, World Pultrusion Conference, Vienna (Austria), Mar. 2018
• Wilhelm, F.: „Closed injection pultrusion”, BMBF Travelling Conference ReHCarbo, Shanghai (China), Jeonju (South Korea), Bangkok (Thailand), Nov./Dec. 2017
• Strauß, S.: „Complex hollow structures by pultrusion and bladder molding“ BMBF Travelling Conference ReHCarbo, Shanghai (China), Jeonju (South Korea), Bangkok (Thailand),  Nov./Dec. 2017
• Bezerra, R.; Henning, F: „Modelling and simulation of the pultrusion process with closed injection and impregnation molds”, 17th European Conference on Composite Materials (ECCM17), Munich (Germany), Jun. 2016
• Bezerra, R.: „Manufacturing of Complex Shape Composite Parts through the Combination of Pull-Braiding and Blow Moulding”, 13th World Pultrusion Conference, Prague (Czech Republic), March 2016
• Wilhelm F.; Bezerra R.; Strauß, S.: „Serienfertigung von hochleistungsfaserverbundbauteilen komplexer Geometrie,“ 1. Compoform Tagung, Munich (Germany), May 2015
• Bezerra, R.; Wilhelm, F.; Strauß, S.; Ahlborn H.: „Manufacturing of complex shape composite parts through the combination of pullbraiding and blowmoulding”, 20th International Conference on Composite Materials, Copenhagen (Denmark), Jul. 2015
• Ahlborn, H.; Bezerra, R.; Middendorf, P.; Drechsler, K.: „PulForm – Herstellung komplexer FVK-Bauteile mittels Flechtpultrusion und Blasumformung“ 24. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, Stuttgart (Germany), 25.-26.02.2015
• Bezerra, R.; Wilhelm, F.; Henning, F: „Compressibility and permeability of fiber reinforcements for pultrusion”, 16th European Conference on Composite Materials (ECCM16), Seville (Spain), Jun. 2014

• Bezerra, R; Wilhelm F. et al.: „Energieeffiziente Herstellung komplexer Hochleistungsfaserverbundbauteile mittels Pultrusion, In-Line Flechten, Blasumformung und Endbearbeitung”, Stuttgart, Fraunhofer Verlag, 2016

• Bezerra, R: „Modelling and Simulation of the Closed Injection Pultrusion Process“, Ph.D. Thesis, Fakultät für Maschinenbau, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, Germany, 2017

• Wilhelm, F.;  Strauß, S.; Weigant R.; Drechsler K.: „Effect of Power Ultrasonic on the Expansion of Fiber Strands”, Journal of Composites Science, 4(2) 50, 2020
• Tucci, F.; Bezerra, R.; Rubino, F.; Carlone, P.: „Multiphase flow simulation in injection pultrusion with variable properties”, Materials and Manufacturing Processes, 35:2, 152-162, 2020
• Strauß, S.; Wilhelm, F.: „Development of a flexible injection and impregnation chamber for pultrusion of high reactive resins”, Procedia Manufacturing, Vol. 47, 2020
• Wilhelm, F.; Strauß, S.; Kronseder, M.: „Influence of power ultrasonic on the viscosity of epoxy resin”, Results in Materials, 2020
• Mentizi, S.; Hecking, A.; Strauß, S., Achten, D.; Guiteras, M. A.: „Aliphatic polyurethan matrix for sustainable UV-resistant composites“, Revista de la Asociacion Espanola de Materiales Compuestos, Vol. 3 No. 4, 2019
• Strauß, S.; Senz, A.; Ellinger, J.: „Comparison of the Processing of Epoxy Resins in Pultrusion with Open Bath Impregnation and Closed-Injection Pultrusion“, Journal of Composites Science, 3(3), 87, 2019
• Linganiso, L. Z.; Bezerra, R.; Bhat, S.; John, M.; Braeuning, R.; Anandjiwala, R. D.: „Pultrusion of flax/poly(lactic acid) commingled yarns and nonwoven fabrics”, Journal of Thermoplastic Composite Materials, Vol 27, Issue 11, 2014