From the Sector

Lightweight design is a key enabler for addressing the energy transition and sustainable economy. Following the liquidation of the state agency Leichtbau BW GmbH, a consortium consisting of the Allianz Faserbasierter Werkstoffe Baden-Württtemberg (AFBW), the Leichtbauzentrum Baden-Württemberg (LBZ e.V. -BW) and Composites United Baden-Württemberg (CU BW) now represents the interests of the lightweight construction community in the State.

The Lightweight Design Agency for Baden-Württemberg is set up for this purpose on behalf of and with the support of the State. The Lightweight Construction Alliance BW is the central point of contact for all players in the field of lightweight construction in the State and acts in their interests at national and international level. Professor Markus Milwich from the German Institutes of Textile and Fiber Research Denkendorf (DITF) represents the agency.

The use of lightweight materials in combination with new production technologies will significantly reduce energy consumption in transportation, the manufacturing industry and the construction sector. Resources can be saved through the use of new materials. As a cross-functional technology, lightweight construction covers entire value chain from production and use to recycling and reuse.

The aim of the state government is to establish Baden-Württemberg as a leading provider of innovative lightweight construction technologies in order to strengthen the local economy and secure high-quality jobs.

Among others, the "Lightweight Construction Alliance Baden-Württemberg" will continue the nationally renowned "Lightweight Construction Day", which acts as an important source of inspiration for a wide range of lightweight construction topics among business and scientific community.

Professor Milwich, an expert with many years of experience and an excellent network beyond the State's borders, has been recruited for this task. In his role, Milwich also represents the state of Baden-Württemberg on the Strategy Advisory Board of the Lightweight Construction Initiative of the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action, which supports the cross functional-technology and efficient transfer of knowledge between the various nationwide players in lightweight construction and serves as a central point of contact for entrepreneurs nationwide for all relevant questions.

From 2005 to 2020, Professor Milwich headed the Composite Technology research at the DITF, which was integrated into the Competence Center Polymers and Fiber Composites in 2020. He is also an honorary professor at Reutlingen University, where he teaches hybrid materials and composites. "Lightweight design is an essential aspect for sustainability, environmental and resource conservation. I always showcase this in research and teaching and now also as a representative of the lightweight construction community in Baden-Württemberg," emphasizes Professor Milwich.

Die AZL Aachen GmbH, bekannter Innovationspartner für Industriekooperationen auf dem Gebiet der Leichtbautechnologieforschung, startet eines neuen Projekts mit dem Titel "Trends und Designfaktoren für Wasserstoffdruckbehälter". Das Projekt wird Fragestellungen der Industrie in Bezug auf die Wasserstoffspeicherung adressieren.

AZL Aachen GmbH, a recognized innovator in lightweight technologies research and industry collaboration, announces the initiation of a new project titled "Trends and Design Factors for Hydrogen Pressure Vessels". The project aims to address industry needs surrounding hydrogen storage.

Hydrogen has gained significant attention as a key technological solution for decarbonization, with high pressure storage and transportation emerging as vital components. Its applications extend from stationary storage solutions to mobile pressure vessels employed in sectors such as transportation and energy systems.

The AZL team, renowned for its high reputation in providing market and technology insights as well as developing component and production concepts in the format of Joint Partner Projects seeks for companies along the whole composite value chain interested in further developing their application know how in this economically highly relevant field.

The project will provide an in depth exploration of market insights, regulatory standards, and intellectual property landscapes. Beyond this, there is a dedicated focus on staying updated with state of the art and advancements in design, materials, and man ufacturing techniques.

An integral component of the project involves the creation of reference designs by AZL´s engineering team. The reference designs will encompass a variety of pressure vessel configurations and will consider a diverse range of materials and production concep ts.

With the scheduled project start in October 2023, and a project timeline of approximately nine months, AZL encourages companies active across the composite value chain to participate. Companies interested in participating or seeking further information should reach out directly to the AZL expert team.

• Das MMI (Materialmodellierung, mechanische Berechnung und Spritzgusssimulation)-Team für fortgeschrittene Simulationstechnologien bietet erheblich verbesserten Service für PA6-GF-Werkstoffe
• Integrative Simulationsumgebung lässt sich effektiv mit der Digimat-Software anwenden und gewährleistet präzise und robuste Finite-Elemente-Analysen

DOMOs fortschrittliche Simulationsumgebung MMI für PA66-Bauteile gilt auf dem Markt bereits als Referenz für präzise Simulationen. Ab sofort unterstützt dieses Simulationstool OEMs und Bauteillieferanten bei der Entwicklung von leistungsfähigen, leichten und kosteneffizienten Bauteilen aus PA6. Mit dem DOMO Service Hub können Bauteilentwickler ihre Polyamidlösungen somit schneller in Serie bringen.

Bei glasfaserverstärkten Materialien muss die Ausrichtung der Glasfasern berücksichtigt werden, die während des Spritzgussverfahrens entsteht. Dabei ermöglicht die Digimat-Software eine genaue integrative Simulation. DOMO besitzt ein umfangreiches Fachwissen bei der integrativen Simulation der TECHNYL® A-Serie von PA66-GF-Materialien und ist daher in der Lage, präzise Bauteilsimulationen durchzuführen.

Die neuen MMI-PA6-GF Materialkarten können für eine Vielzahl von Glasfaserkonzentrationen und -temperaturen sowie für elastische und elastoplastische Materialmodelle mit Versagensindikatoren eingesetzt werden. Diese sind in der Digimat Software verfügbar und führen zu den gleichen präzisen Ergebnissen wie bei den TECHNYL® A PA66-Werkstoffen. Die neuen Materialkarten heben somit die PA6-Datenbank auf das gleiche Leistungsniveau wie PA66 an. Im nächsten Schritt werden in die Digimat-Datenbank auch crashspezifische und thermische Modelle eingepflegt.

„Dank der präzisen MMI-Simulation können TECHNYL® Bauteile entwickelt werden, die leichter, leistungsfähiger und kosteneffizienter sind“, erklärt Gilles Robert, Material Expert bei DOMO. „Unsere Kunden profitieren von kürzeren Entwicklungszeiten und haben eine bessere Kontrolle über die internen Kosten. Der kontinuierliche Aufbau der TECHNYL®-Materialdatenbank erweitert das Anwendungsfeld dieser Simulationsumgebung auf PA6 Bauteile.“

The AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe – has once again presented its Innovation Awards to companies, institutes and their partners. Three composites innovations were recognised in each of the three categories – “Innovative Products/Applications”, “Innovative Processes” and “Research and Science” – at the new event JEC Forum DACH on 23 November 2021, the first edition of which was held in Frankfurt.

“As usual, the submissions included a lot of very interesting and promising products and processes this year. The Innovation Awards highlight the outstanding efficiency, cost-effectiveness and sustainability of fibre-reinforced plastics as well as the companies and institutes operating in the sector,” explains Dr. Elmar Witten, Managing Director of the AVK. The jury of leading experts from the industry honoured the following innovations this year:

Category “Research and Science”
First place in the “Research and Science” category was awarded to the German Aerospace Center (DLR) for its Bondline Control Technology (BCT). This innovative process is used for quality control and assurance of bonded joints. The core element is a porous fabric which is applied to a joining surface using an epoxy adhesive or matrix resin. Peeling away the fabric creates a chemically reactive and undercut surface and can also be used as a test to check adhesion to the substrate. BCT has potential in a variety of possible applications. For example, peel ply can be replaced by BCT fabric to produce composite components with an optimised joining surface. The cost-effective BCT peel test is suitable for coupon testing and process control. In addition, the combined adhesion test and surface pre-treatment can be used for quality assurance of bonded repairs on fibre composite structures.

Second place was taken by the Institute of Textile Technology (ITA) at RWTH Aachen University and its partners AEROVIDE GmbH, Altropol Kunststoff GmbH, Basamentwerke Böcke GmbH, TechnoCarbon Technologies GbR with “StoneBlade – Lightweight construction with granite for the wind industry”. This innovation enables manufacturers to reduce the amount of non-recyclable materials used in rotor blade construction. At the same time, it reduces the weight of these components and improves the mechanical properties relating to the stability of wind turbines. The innovative approach replaces glass-fibre reinforced plastic in the blade components with hard rock – a natural, cost-effective and recyclable lightweight material. The slabs of rock are cut and ground to a thickness of just a few millimetres and embedded in a fibre composite laminate with carbon fibre, which stabilises them for alternating load cases. The pre-stressed material is pressure-stable in the composite and can absorb tensile forces in the event of continuously alternating loads without any loss of stiffness.

Third place went to the Dresden University of Technology – Institute for Lightweight Construction and Plastics Technology (ILK) with its partner Mercedes Benz AG for the interdisciplinary development of a highly integrated inductive charging module for electric vehicles. The ultra-thin charging module was designed to make optimum use of space in the vehicle underbody without reducing ground clearance. An interdisciplinary approach was adopted for the development process. This involved the electrical, mechanical and process characterisation of high-frequency Litz wires, ferromagnetic foil and metal wire cloth as well as the creation of a simulation model. The result is a demonstrator for a charging system with a structural height of 15 mm and a total weight of 8 kg. It achieves a transmission efficiency of up to 92 percent at 7.2 kW nominal power and active air cooling. The hardware demonstrator was fabricated in a 3-step process using RTM and VARI techniques.

Overview of all the winners in the three categories:
Category “Innovative Products/Applications”
1st Place: “Traffic signs from Nabasco (N-BMC)” – Nabasco Products BV and Lorenz Kunststofftechnik GmbH, partners: Pol Heteren BV and NPSP BV
2nd Place: “Novel, ultratough vinyl ester resin for the construction of large marine vessels” Evonik Operations GmbH
3rd Place: “Air intake housing with a multi-material design for gas turbines” – MAN Energy Solutions SE, Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH and Leichtbau-Systemtechnologien KORROPOL GmbH.
Category “Innovative Processes”
1st Place: “In-mould wrapping” off-tool, film-coated, fibre composite components for exterior applications – BMW Group, Partner: Renolit SE
2nd Place: “Adaptive automated repair of composite structural components in the aviation sector” – Lufthansa Technik AG, Partner: iSAM AG
3rd Place: “Automated surface pre-treatment using VUV excimer lamps” – CTC GmbH
Category “Research and Science”
1st Place: “Bondline Control Technology (BCT)” – German Aerospace Center (DLR)
2nd Place: “StoneBlade – Lightweight construction with granite for the wind industry” – Institute of Textile Technology at RWTH Aachen University, Partners: AEROVIDE GmbH, Altropol Kunststoff GmbH, Basamentwerke Böcke GmbH, TechnoCarbon Technologies GbR
3rd Place: “Interdisciplinary development of a highly integrated inductive charging module for electric vehicles” – Dresden University of Technology – Institute for Lightweight Construction and Plastics Technology (ILK), Partner: Mercedes Benz AG

Submissions for the next Innovation Award can be made from the end of January 2022.

• Kohlenstoff mit mehreren Leben

Geht es um die Zukunft der motorisierten Mobilität, reden alle vom Antrieb: Wie viel E-Auto, wie viel Verbrenner verträgt die Umwelt und braucht der Mensch? Zugleich stellen neue Antriebe erhöhte Anforderungen nicht nur an den Motor, sondern auch an dessen Gehäuse und die Karosse: Für solch anspruchsvolle Anwendungen kommen häufig Carbonfasern zum Einsatz. Wie der Antrieb der Zukunft, sollten auch die Werkstoffe am Fahrzeug umweltfreundlich sein. Deshalb ist Recycling von Carbonfasern gefragt. Lösungen dafür haben Institute der Zuse-Gemeinschaft entwickelt.

Carbonfasern, auch als Kohlenstofffasern oder verkürzt als Kohlefasern bekannt, bestehen fast vollständig aus reinem Kohlenstoff. Sehr energieaufwändig wird er bei 1.300 Grad Celsius aus dem Kunststoff Polyacrylnitril gewonnen. Die Vorteile der Carbonfasern: Sie haben kaum Eigengewicht, sind enorm bruchfest und stabil. Solche Eigenschaften benötigt man z.B. am Batteriekasten von E-Mobilen oder in Strukturbauteilen der Karosserie. So arbeitet das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) aktuell gemeinsam mit Industriepartnern daran, statisch-mechanische Stärken der Carbonfasern mit Eigenschaften zur Schwingungsdämpfung zu verknüpfen, um die Gehäuse von E-Motoren im Auto zu verbessern. Angedacht ist in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt die Entwicklung sogenannter Hybridvliesstoffe, die neben der Carbonfaser als Verstärkung weitere Faserstoffe enthalten. „Wir wollen, die Vorteile unterschiedlicher Faserstoffe verbinden und so ein optimal auf die Anforderungen abgestimmtes Produkt entwickeln“, erläutert Marcel Hofmann, STFI-Abteilungsleiter Textiler Leichtbau.

Damit würden die Chemnitzer Forschenden bisherige Vliesstoff-Lösungen ergänzen. Sie blicken auf eine 15-jährige Geschichte in der Arbeit mit recycelten Carbonfasern zurück. Der globale Jahresbedarf der hochwertigen Fasern hat sich im vergangenen Jahrzehnt fast vervierfacht, laut Angaben der Industrievereinigung AVK auf zuletzt rd. 142.000 t. „Die steigende Nachfrage hat das Recycling immer stärker in den Fokus gerückt“, betont Hofmann. Carbonfaserabfälle sind ihm zufolge für etwa ein Zehntel bis ein Fünftel des Preises von Primärfasern erhältlich, müssen aber noch aufbereitet werden. Dreh- und Angelpunkt für den Forschungserfolg der recycelten Fasern sind konkurrenzfähige Anwendungen. Die hat das STFI nicht nur am Auto, sondern auch im Sport-Freizeitsektor sowie in der Medizintechnik gefunden, so in Komponenten für Computertomographen. "Während Metalle oder Glasfasern als potenzielle Konkurrenzprodukte Schatten werfen, stört Carbon die Bilddarstellung nicht und kann seine Vorteile voll ausspielen“, erläutert Hofmann.

Papier-Knowhow nutzen
Können recycelte Carbonfasern nochmals den Produktkreislauf durchlaufen, verbessert das ihre CO2-Bilanz deutlich. Zugleich gilt: Je kürzer die Carbonfasern, desto unattraktiver sind sie für die weitere Verwertung. Vor diesem Hintergrund entwickelten das Forschungsinstitut Cetex und die Papiertechnische Stiftung (PTS), beide Mitglieder der Zuse-Gemeinschaft, im Rahmen eines Forschungsvorhabens ein neues Verfahren, das bislang wenig geeignet erscheinende Recycling-Carbonfasern ein zweites Produktleben gibt. „Während klassische Textilverfahren die ohnehin sehr spröden Recycling-Carbonfasern in Faserlängen von mind. 80 mm trocken verarbeiten, beschäftigten wir uns mit einem Verfahren aus der Papierindustrie, welches die Materialien nass verarbeitet. Am Ende des Prozesses erhielten wir, stark vereinfacht gesprochen, eine flächige Matte aus recycelten Carbonfasern und Kunststofffasern“, erläutert Cetex-Projektingenieur Johannes Tietze das Verfahren, mit dem auch 40 mm kurze Carbonfasern zu attraktiven Zwischenprodukten recycelt werden können. Das danach in einem Heißpressprozess entstandene Erzeugnis dient als Grundmaterial für hochbelastbare Strukturbauteile. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge durch die Kombination mit endlosfaserverstärkten Tapes verbessert. Das Recyclingprodukt soll, so die Erwartung der Forschenden, glasfaserverstärkten Kunststoffen, Konkurrenz machen, z.B. bei Anwendungen im Schienen- und Fahrzeugbau. Die Ergebnisse fließen nun in weiterführende Forschung und Entwicklung im Kooperationsnetzwerk Ressourcetex ein, einem geförderten Verbund von 18 Partnern aus Industrie und Wissenschaft.

Erfolgreiche Umsetzung in der Autoindustrie
Industriereife Lösungen für die Verwertung von Carbonfaser-Produktionsabfällen werden im Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt (TITK) entwickelt. Mehrere dieser Entwicklungen wurden mit Partnern beim Unternehmen SGL Composites in Wackersdorf industriell umgesetzt. Die Aufbereitung der so genannten trockenen Abfälle, hauptsächlich aus Verschnittresten, erfolgt nach einem eigenen Verfahren. „Dabei führen wir die geöffneten Fasern verschiedenen Prozessen zur Vliesherstellung zu“, sagt die zuständige Abteilungsleiterin im TITK, Dr. Renate Lützkendorf. Neben den Entwicklungen für den Einsatz z.B. im BMW i3 in Dach oder Hintersitzschale wurden im TITK spezielle Vliesstoffe und Verfahren für die Herstellung von Sheet Molding Compounds (SMC) etabliert, das sind duroplastische Werkstoffe, die aus Reaktionsharzen und Verstärkungsfasern bestehen und zum Pressen von Faser-Kunststoff-Verbunden verwendet werden. Eingang fand dies z.B. in einem Bauteil für die C-Säule des 7er BMW. „In seinen Projekten setzt das TITK vor allem auf die Entwicklung leistungsfähigerer Prozesse und kombinierter Verfahren, um den Carbonfaser-Recyclingmaterialien auch von den Kosten her bessere Chancen in Leichtbauanwendungen einzuräumen“, betont Lützkendorf. So liege der Fokus gegenwärtig auf dem Einsatz von CF-Recyclingfasern in thermoplastischen Prozessen zur Platten- und Profilextrusion. „Ziel ist es, die Kombination von Kurz- und Endlosfaserverstärkung in einem einzigen, leistungsfähigen Prozess-Schritt zu realisieren.“

The two AZL Partners Conbility GmbH and Fraunhofer IPT, Aachen started their long-term cooperation for the further development and for the commercialization of Fraunhofer´s tape-placement and tape winding systems with in-situ-consolidation by the usage of laser or IR heat sources.

With this cooperation, the company Conbility GmbH makes 25 years of expertise in special machine development of tape placement systems of the Fraunhofer Institute for Production Technology IPT commercially available. Conbility offers two different tape processing systems available in different configurations.

The “PrePro 2D” machine system allows for the automated tailored tape placement of UD laminates and which can be used for subsequent thermoforming or as stiffening structures in injection molding processes. The machine comprises a rotating and translational table which is moved relatively to the applicator station. The table is scalable according to the requirements of customers. Standard table diameters are 1200 mm or 2000 mm. The applicator station can be equipped with a single or with multiple spool applicators. Because of the large process area, a 9 kW IR heater is used for the in-situ-consolidation process.  
Three in one: Three technologies included in one single modular system
Furthermore, the award-winning “PrePro 3D” tape placement and winding applicator is available as modular product with decentral control system (including closed-loop control of energy input into the processing zone) for the “plug-in” implementation in existing robot systems or machine systems by standard interfaces for the communication with the master control system. Conbility provides the single applicator as well as turn-key ready systems including the robot and handling systems.

Unique selling point of the PrePro 3D system is its multifunctional range of usage: it accomplishes laser-assisted thermoplastic tape placement, IR-assisted thermoset prepreg placement and dry fiber placement: Three technologies included in one single modular system.  

During the JEC World in Paris (March 6th – 8th 2018), Conbility GmbH will present its new “VCSEL Tape Placement and Winding Applicator” (Fig. 3), developed in cooperation with Fraunhofer IPT and Philips Photonics at the AZL Composites in Action area (Hall 5A, C55).

VCSEL Laser Systems as heat source for lower investment and process costs
This applicator uses an integrated VCSEL Laser System as heat source which has been developed by Philips Photonics. This tape placement and winding applicator can also be integrated as modular “plug-in” system into industrial jointed-arm and linear gantry robots in variable manufacturing cells. Using the new VCSEL Laser as heat source (VCSEL: Vertical-Cavity Surface Emitting Laser) leads to significant lower investment and process cost in comparison to other laser systems. Furthermore, the VCSEL laser system can accomplish controllable in-process adjustments of the laser-spot geometry as well as the intensity distribution within the spot size during the process (in-process control of laser-spot geometries and intensities) for the first time. The new system with 2 kW laser power and 10 separate emission zones which can be controlled separately will be shown at JEC World in Paris 2018 as new product of Conbility GmbH.