Das Projekt

Die Nachfrage für immer leichtere und stabilere Strukturen in der Luftfahrt und anderen Sektoren hat dazu geführt, dass sich zwei technische Forschungsbereiche stark weiterentwickelt haben.
Zum einen werden vermehrt neue Materialien wie faserverstärkte Kunststoffe (FVK) im Leichtbau eingesetzt. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit bei vergleichbar geringem Gewicht aus. Zum anderen revolutioniert die additiven Fertigung, besser bekannt als 3D-Drucken, gerade die ganze Fertigungsbranche. Sie ermöglicht es komplexe individualisierte Strukturen herzustellen.
Im Rahmen unseres Fokusprojektes wollen wir genau diese zwei Bereiche in einem System verschmelzen. Dadurch sollen ultraleichte Strukturen erzielt werden. Die bisherige Verarbeitung von FVK ist sehr aufwendig und viele Bauteile können bisher nicht hergestellt werden. 3DCarb bietet eine vollautomatisierte Alternative, in welcher das günstige Rohmaterial alle Prozessschritte auf engstem Raum bis zum fertigen Endprodukt durchmacht.
Als Ausgangslage für unser Projekt dient uns ein bereits bestehendes System, welches von Martin Eichenhofer, unserem jetzigen Betreuer, in mehrjähriger Arbeit entwickelt wurde. Unser Ziel ist es den Prozess stark weiterzuentwickeln, um mit konventionellen Verfahren gleichzuziehen. Die Materialqualität soll den hohen Anforderungen der Luftfahrt genügen und die Verarbeitungsgeschwindigkeit attraktiv für die Industrie werden.

Prozess

Um unsere Ziele erreichen zu können, muss der Luftporengehalt im Material auf ein Minimum gesenkt werden, ohne dabei die hohe Prozessgeschwindigkeit zu verlieren.
Der Applikationskopf prozessiert das günstige unkonsolidierte Garn auf engstem Raum, bis zum fertigen Endprodukt. Dabei durchgeht das Material sehr neue, innovative Prozessschritte: Nach einer ersten Vorwärmung und Vorkonsolidierung werden mehrere Garne zusammengeführt und in einer Pultrusionseinheit zum Endprodukt verformt. Wir erzielen daher eine in-situ (vor Ort) Konsolidierung. Eine variotherme Extrusionsdüse am Ende des Systems ermöglicht eine hochgenaue thermische Behandlung des Stabes. So können neuartige Anwendungen erzielt werden, ohne dabei an Qualität einzubüssen.
Diese Schritte verhelfen zu einen so tiefen Luftporengehalt, dass unser Endprodukts mit vergleichbaren konventionellen Prozessen mithalten kann, aber eine vielseitigere Anwendung findet und deutlich kostengünstiger ist.

Anwendungen

Dank des automatisierten Roboterarms lässt sich der Applikationskopf in alle Dimensionen bewegen. Im Zusammenspiel mit der variothermen Extrusionsdüse ermöglicht uns dies, die fertigen Stäbe in Belastungsrichtung abzulegen und sehr anwendungsspezifische Strukturen aller Art herzustellen. Deshalb lassen sich bisher nicht für möglich gehaltene Leichtbau-Strukturen mit kontinuierlich-faserverstärken Thermoplasten erzielen, wie etwa ein gekrümmtes Panel. Ausserdem bietet es sich an, gleich ganze Funktionsintegrationen wie Sensoren und Kabel in die Fertigung miteinzubeziehen.

Gekrümmtes Panel


Funktionsintegration

Der Projektrahmen

Wir Bachelorstudierende der Maschineningenieurwissenschaften an der ETH Zürich haben die Möglichkeit, das erworbene Grundlagenwissen im 5. und 6. Semester in einem spezifischen Bereich zu vertiefen, dem sogenannten Fokus. Wir werden dabei vor die Wahl zwischen Fokusvertiefung und Fokusprojekt gestellt. Das Fokusprojekt erstreckt sich über fast ein Jahr, mit dem Ziel ein Produkt zu entwickeln und zu realisieren. Dabei durchlaufen wir sämtliche Prozesse der Produktentwicklung von der Konzeption über Design, Konstruktion, Produktion, Testing bis hin zu Projektmanagement und Marketing. Neben Kreativität, Selbstinitiative und Teamarbeit ist vor allem auch Know-How von zentraler Bedeutung für den Erfolg eines solchen Projektes. Dieses erarbeiten wir im Selbststudium, in dafür geeigneten Vorlesungen oder durch den Austausch mit Fachkräften aus der Industrie, unseren Betreuern und Professoren.

Der Höhepunkt des Fokusprojektes bildet das Roll-Out, welches Ende Mai 2017 stattfindet. Am Roll-Out werden sämtliche Fokusprojekte der Öffentlichkeit präsentiert und jährlich mehr als 1000 Besucher aus Industrie und Wissenschaft erwartet.

Einige Beispiele von ehemaligen Fokusprojekte:

  • AMZ, the ETH’s formula student team
  • Scalevo, the stair climbing wheelchair
  • Ibex, the remote controlled excavator
  • Sepios, the cuttlefish robot