Robust und intelligent: Spritzgießbau­teile mit Endlosfaserver­stärkung und integrierter Elektronik

Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden entwickelten im Forschungsprojekt TEMAG „Thermoplastische endlosfaserverstärkte Multi-Axiale-Gitterstrukturen“ einen innovativen Herstellungsprozess für endlosfaserverstärkte Spritzgießbauteile mit integrierten elektronischen Funktionselementen. Mit Hilfe der neuen Technologie können elektronische Funktionen erstmals robust und kostengünstig in Leichtbaustrukturen integriert werden. Am Gemeinschaftsprojekt arbeiteten Forscher des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) und des Instituts für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden.

Feste, leichte und intelligente Bauteile
Mittels Spritzgießen lassen sich komplex geformte und zugleich preiswerte Leichtbaustrukturen herstellen. Durch Endlosfaserverstärkung können die mechanischen Eigenschaften dieser Strukturen noch erweitert werden. Die zusätzliche Integration von Funktionselementen, wie etwa Sensoren oder LEDs, vergrößert das Eigenschaftsspektrum endlosfaserverstärkter Bauteile nochmals. Die Positionierung der Funktionselemente, deren Leitungen für die Energie- und Signalübertragung sowie der Steckkontakte im Spritzgießwerkzeug ist allerdings wegen des großen Drucks und der hohen Temperatur beim Einspritzvorgang eine große Herausforderung.

Die Dresdner Wissenschaftler verfolgten im Forschungsprojekt TEMAG einen neuartigen Lösungsansatz. Sie nutzten die textilen Hochleistungsgitter als mechanische Verstärkung der Spritzgießbauteile und entwickelten diese zu Trägern der elektronischen Komponenten weiter. Mit diesem Verfahren ist die effiziente Herstellung fester, leichter und intelligenter Bauteile möglich.

Textile Hochleistungsgitter als Träger elektronischer Komponenten
Als Ausgangsmaterial für die Hochleistungsgitter dienten Hybridgarne, beispielsweise aus Glas und Thermoplast. Diese wurden von Wissenschaftlern des ITM den Anforderungen gemäß gestaltet und auf einer Kettenwirkmaschine mit Fadenmanipulationseinrichtung gefertigt. Dabei wurden individuell Drähte als Leitungen für Energie- und Signalübertragung zugeführt. Das Halbzeug wurde thermisch vorkonsolidiert und im anschließenden Prozessschritt erfolgte eine Konfektionierung und Umformung – entsprechend der Geometrie des späteren Bauteils.

Die ILK-Forscher entwickelten Funktionselemente, wie Sensoren, LED’s und Steckkontakte. Diese wurden auf Trägern so angebracht, dass sie den Prozessbedingungen während des Spritzgießens Stand halten und zu den im Hochleistungsgitter eingebrachten Drähten kontaktiert werden können. Eigens dafür entwickelten die ILK-Wissenschaftler einen zuverlässigen Ultraschall-Lötprozess. Diese neue Verbindungstechnik ist so robust, dass auch im Roving des Gitters verdeckt liegende Drähte sicher und mit geringem Übergangswiderstand kontaktiert werden können. Zusätzlich wurden in einem generativen Verfahren Abstandselemente und Positionierhilfen auf das Gitter aufgebracht, um die spätere Lage in der Kavität des Spritzgießwerkzeuges festzulegen.

Präsentation auf der Composites Europe 2016
Den entwickelten Fertigungsprozess zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Spritzgießbauteilen mit integrierten elektronischen Funktionen demonstrieren die Forschungspartner am Beispiel einer Fahrzeug-Heckklappe. Dazu wurde die Gitterverstärkung belastungsgerecht ausgelegt und drapiert sowie mit einem Touch-Sensor ausgestattet, dessen Signal zur Öffnung der Heckklappe dienen kann. Zusätzlich haben die Wissenschaftler eine Bremsleuchte integriert.

Den Technologieträger präsentieren die ILK-Wissenschaftler auf der Messe Composites Europe vom 29.11. bis 01.12.2016 in Düsseldorf in Halle 8b auf dem Gemeinschaftsstand des Composites Germany (D21_d).

Kontakt
Technische Universität Dresden
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)
Dipl.-Ing. Martin Pohl, wissenschaftlicher Mitarbeiter
Tel.: 0351 / 463 37805
E-Mail:

Technische Universität Dresden
Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM)
Dr.-Ing. Vignaesh Sankaran, wissenschaftlicher Mitarbeiter
Tel.: 0351 / 463 42245
E-Mail: