Ein neuer Ansatz zur Faserspreizung: Höhere Präzision, weniger Ausschuss in der UD-Tape-Produktion

Unidirektionale (UD) Tapes sind wesentliche Komponenten in modernen Leichtbauanwendungen – von Automobilteilen bis hin zu Luft- und Raumfahrtstrukturen. Ihre mechanische Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit hängen stark von der präzisen Ausrichtung und gleichmäßigen Verteilung der Faserrovings innerhalb einer Polymermatrix ab. Selbst geringste Unregelmäßigkeiten während des Spreizprozesses können zu Defekten führen, die Materialeigenschaften verschlechtern und die Produktionskosten in die Höhe treiben. Die Optimierung von UD-Tapes für leichtere, energieeffizientere Strukturen mit geringerem Materialverbrauch unterstützt Hersteller zudem dabei, das verbindliche Ziel der Europäischen Union zu erreichen, bis 2050 klimaneutral zu werden.

In der konventionellen Fertigung ist das Erreichen einer gleichmäßigen Faserspreizung eine ständige Herausforderung. Schwankungen in der Ausgangsbreite der Faserbündel, kombiniert mit den hohen mechanischen Kräften in traditionellen Systemen, können zu ungleichmäßiger Tapedicke, Faserbruch und höheren Ausschussraten führen. Diese Faktoren machen den Spreizprozess zu einem der kritischsten Schritte bei der Herstellung von Hochleistungs-UD-Tapes.

Zwangsgeführtes Spreizverfahren

Die neue Methode ersetzt die herkömmliche Umlenkung durch eine einzige Breitstreckwalze, die mit spiralförmigen Nuten ausgestattet ist. Während der Roving über die Walze läuft, trennen die Nuten die Filamentbündel schrittweise, während Entspannungszonen zwischen den Nuten es den Fasern ermöglichen, Spannungen abzubauen. Eine vorgelagerte Zentrierwalze sorgt für einen konzentrischen Einlauf, und nachgelagerte Führungsstangen stabilisieren das Tape und ermöglichen eine Inline-Breitenüberwachung. Diese Konfiguration sorgt für einen kontrollierteren, schonenderen und reproduzierbareren Spreizprozess.

Zu den Hauptmerkmalen der Methode gehören:

• Schonende Handhabung der Fasern zur Reduzierung von Faserbruch und zum Erhalt der mechanischen Leistungsfähigkeit

• Hohe Reproduzierbarkeit bei unterschiedlichen Rovingbreiten und Produktionsgeschwindigkeiten

• Vereinfachte Prozesssteuerung, da im Vergleich zum herkömmlichen Spreizen weniger Parameter die Tapequalität stark beeinflussen

• Skalierbarkeit, wodurch sie für industrielle Produktionslinien geeignet ist

Durch die Steuerung von Parametern wie Umschlingungswinkel, Walzendurchmesser, Nutsteigung und Vorschubgeschwindigkeit (Vorwärtsgeschwindigkeit des Rovings durch die Walze) ermöglicht die Methode ein präzises Spreizen der Rovings, ohne die Faserintegrität zu beeinträchtigen.

Experimentelle Validierung

Umfangreiche Tests bestätigten die Wirksamkeit des zwangsgeführten Spreizverfahrens. Carbonfaser-Rovings mit hoher Filamentzahl wurden mit dem neuen Aufbau verarbeitet und mit konventionellen Methoden verglichen. Die Rovingbreite wurde vor und nach dem Spreizen mittels Inline-Bildverarbeitung erfasst, während Kraftmesszellen gleichzeitig die auf die Fasern wirkenden Zugkräfte gemessen haben.

Die Ergebnisse zeigten:

• Signifikant verbesserte Gleichmäßigkeit der Breite, selbst wenn die Eingangs-Rovings Schwankungen aufwiesen

• Drastische Reduzierung der auf die Fasern wirkenden Zugkräfte

• Gleichbleibende Reproduzierbarkeit über lange Produktionsläufe hinweg

  Minimalen Anpassungsbedarf bei Schwankungen der Fasereigenschaften

Diese Erkenntnisse belegen, dass die Methode robust, zuverlässig und an verschiedene Fasertypen, Tow-Größen und industrielle Bedingungen anpassbar ist.

Industrielle Vorteile, Relevanz und Nachhaltigkeit

Für Branchen wie die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt sowie die erneuerbaren Energien bieten diese Verbesserungen spürbare Vorteile. Eine gleichmäßige Faserspreizung wirkt sich direkt auf die Leistung von Verbundwerkstoffen aus, indem sie stärkere, berechenbarere Verbundteile unterstützt und es Konstrukteuren sowie Ingenieuren ermöglicht, den Materialeinsatz unter Einhaltung strenger mechanischer Spezifikationen zu optimieren.

Homogene UD-Tapes verringern das Risiko von trockenen Stellen oder schwachen Grenzflächen und gewährleisten so berechenbare mechanische Eigenschaften in Hochleistungskomponenten. Geringere Ausschussraten und weniger Faserschäden führen zu Kosteneinsparungen, höherer Effizienz und einer nachhaltigereren Produktion.

Die Anpassungsfähigkeit der Methode unterstützt zudem Umweltziele, indem sie Abfall und Energieverbrauch minimiert. Ihre Fähigkeit, unterschiedliche Eingangs-Rovings ohne umfangreiche Neukonfiguration zu verarbeiten, macht sie besonders attraktiv für Hersteller, die hohe Qualität, Effizienz und Nachhaltigkeit miteinander verbinden wollen.

Zukunftsperspektiven

Die Technik des zwangsgeführten Spreizverfahrens öffnet auch die Tür für weitere Innovationen. Zukünftige Arbeiten könnten automatisierte und adaptive Spreizsysteme, die Integration von Inline-Qualitätsüberwachungstechnologien sowie die Skalierung für größere Produktionslinien oder andere Fasertypen umfassen. Durch die Lösung einer der zentralen Herausforderungen in der UD-Tape-Produktion ermöglicht diese Methode die Herstellung leichterer, stärkerer und zuverlässigerer Verbundwerkstoffe für industrielle Anwendungen der nächsten Generation.

Projektpartner

Die Arbeiten wurden durchgeführt von Competence Center CHASE GmbH ↗ in Zusammenarbeit mit Institute of Polymer Processing and Digital Transformation, Johannes Kepler University Linz ↗, Covestro Thermoplast Composite GmbH ↗, und LIT Factory, Johannes Kepler University Linz ↗.

Die Arbeit wurde im Journal of Engineered Fibers and Fabrics, Band 20: 1-8, 2025, veröffentlicht. Die Autoren sind Stefan Kohl, Christian Marschik, Gernot Hochleitner, Thomas Kranzl and Gerald Berger-Weber: Forced convyeing as a novel method for spreading fiber rovings - CHASE PDF ↗