CosiMo – Composites for Sustainable Mobility (Verbundwerkstoffe für nachhaltige Mobilität)

Das Ziel des Projektes CosiMo ist, die Forschungsbasis für die Realisierung nachhaltiger, hochproduktiver und wirtschaftlicher Fertigungsverfahren für Bauteile im Automobil- und Flugzeugbau zu schaffen. Damit wird am ZLP Augsburg erstmals auch zum Thema Elektromobilität im Automobilbereich geforscht.

Dies soll durch die endkonturnahe Herstellung von Strukturbauteilen in einem Prozessschritt erreicht werden. Dazu werden die Vorteile eines etablierten Resin-Transfer-Molding-Prozesses (RTM) mit den Vorteilen thermoplastischer Matrixsysteme in einem thermoplastischen RTM-Prozess (T-RTM) kombiniert. Insbesondere soll die nach wie vor kostenintensive Herstellung von FVK-Bauteilen sowohl ökonomisch als auch ökologisch optimiert werden. In diesem Zusammenhang sind die wesentlichen Projektinhalte

• die Imprägnierung von recycelten Glasfaser-Vlies-Materialien durch In-situ-Polymerisation von ϵ-Caprolactam zu Polyamid 6 (PA6),
• die Einbringung von Verstärkungsstrukturen entlang der Lastpfade,
• die Integration von Metalleinlegern,
• die Verwendung einer umfangreichen Prozesssensorik zur Erzeugung von Prozessdaten
• sowie die Erstellung virtueller Modelle der Anlagen und des Prozesses mit Hilfe maschineller Lernmethoden.

Die Technologien sollen an einem Demonstratorbauteil gezeigt werden, dessen Konzeptionierung und Entwicklung Teil des Projektes ist.

Zielstellung

Für das Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) stehen folgende Ziele im Vordergrund:

• Ausbau der Kompetenzen im Bereich der Prozess- und Bauteilsimulation, der werkzeugintegrierten Sensorik, der automatisierten prozessdatenbasierten Anlagensteuerung und der nichtzerstörenden Prüfung von hybriden Bauteilen
• Befähigung der dafür benötigten Infrastruktur (Hardware und Software) für die Prozesstechnologien In-situ-Polymerisation und maschinelles Lernen

Projektverbund

Von grundlegenden wissenschaftlichen Fragestellungen zu Materialeigenschaften und prozessbedingtem Materialverhalten über die Entwicklung von sensorintegrierten RTM-Werkzeugen bis zu einer innovativen Prozesssteuerung wird ein breites Spektrum an physikalischen, chemischen und technologischen Herausforderungen im Projektverbund thematisiert. Daraus ergeben sich nachfolgende Hauptarbeitspakete (HAP):

HAP 1 – Tailored Nonwovens
HAP 2 – Reaktive Systeme
HAP 3 – Intelligentes Werkzeug
HAP 4 – Datengetriebene Prozesssteuerung

Die Arbeitsinhalte des ZLP liegen zum Großteil im „HAP 3 – Intelligentes Werkzeug“. Hier tritt das DLR als Teilprojektkoordinator auf. Gleichzeitig stellt das HAP 3 die zentrale Schnittstelle zwischen grundlegenden Materialcharakterisierungen (HAP 1 u. 2) und der datenbasierten Steuerung (HAP 4) dar. Die oben beschriebenen Hauptaufgaben des DLR werden in folgenden Arbeitspaketen bearbeitet:

Prozesssimulation

Auf Basis des im Projekt definierten Demonstratorbauteils werden Teilprozesse der Bauteilfertigung (Umform- und Füllsimulation) und Eigenschaften des polymerisierten Bauteils (Verzugssimulation) simuliert. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchung im Vergleich der Ergebnisse von Simulation und realem Prozess, um eine Aussage zur Nutzbarkeit der Simulationswerkzeuge der vorliegenden In-situ-Polymerisationsprozesse zu ermöglichen und Ansätze für Verbesserungen zu identifizieren.

Sensornetzwerk

Die Nachverfolgung des Prozessablaufs bei der Bauteilherstellung erfolgt über ein mit den Projektpartnern gemeinsam entwickeltes Sensornetzwerk aus Druck-, Temperatur-, Ultraschall- und Dielektrizitätssensoren. Es wird ein Konzept für die Anordnung und Integration der Sensorik im Demonstratorwerkzeug entwickelt. Dieses ermöglicht eine hochaufgelöste Verfolgung des Prozessablaufs in der komplexeren Werkzeuggeometrie und erfüllt dabei alle Anforderungen des angewandten Herstellungsprozesses (u.a. Vermeidung von Fehlstelleneinbringung in die Preform, Erreichen der erforderlichen Prozessparameter, wie Druck, Dichtigkeit und Homogenität der Temperaturverteilung). Ziel ist es, anhand der Sensorinformationen eine Aussage über den Prozessverlauf und somit über die Bauteilqualität treffen zu können. Dies stellt einen wichtigen Schritt dar, um auf nachfolgende Qualitätsprüfungen verzichten zu können.

Prozess- und Anlagenoptimierung

Zur Validierung des T-RTM-Prozesses wird eine Injektionsanlage der KraussMaffei Technologies GmbH in die Infrastruktur des ZLP integriert und mit der bestehenden Heißpresse (Wickert) kombiniert. Entsprechend werden die Sicherheits- und Steuerungskonzepte zur Bedienung der Anlagen aufeinander abgestimmt und für eine vereinfachte Bedienung optimiert. Zunächst wird der T-RTM-Prozess an einem einfachen Plattenwerkzeug in Betrieb genommen. Die zur Bauteilerstellung benötigten Anlagen-, Prozess- und Materialparameter werden intensiv untersucht und so zur Einstellung bestmöglicher Bauteilqualitäten optimiert. Ein weiteres Forschungsziel stellt die Weiterentwicklung der Anlagen hin zu einer automatisierten mess- und simulationsdatenbasierten Prozesssteuerung auf Basis des maschinellen Lernens dar. Durch das Trainieren eines virtuellen Prozessmodells  soll schließlich die Herstellung des finalen Demonstratorbauteils unterstützt werden.

Bauteilprüfung