Bamboepalen worden in Azië al eeuwenlang gebruikt voor het maken van lichte draagconstructies, door ze met touw met elkaar te verbinden. Door het kruisen en wikkelen van touwen rond de knooppunten, worden de bamboepalen met elkaar verbonden. Het ‘wbk Institut für Produkiontechnik‘ van het ‘Karlsruher Institut für Technologie’ (KIT) past een gelijksoortige techniek toe. In een sterk geautomatiseerd wikkelproces worden holle vezelversterkte composietprofielen met koolstofvezel met elkaar verbonden, gebaseerd op een compleet virtuele procesketen.

Met vakwerkconstructies van holle profielen of draagconstructies (frameconstructies) van hybride, vezelversterkte kunststoffen zijn lichte constructies te maken. Tegelijkertijd beschikken dergelijke constructies over prima mechanische eigenschappen. Maar de verbindingstechniek voor twee profielen die onder een hoek samenkomen, is nog steeds een grote uitdaging. Geen van de bekende verbindingstechnieken is in staat de profielen veilig en zonder beperkingen met elkaar te verbinden.

Geïnspireerd op de oude bamboeverbindingstechnieken is bij het Instituut voor Productietechniek van het KIT een variant van deze techniek ontwikkeld. Hierbij wordt gebruikgemaakt van zesassige robots om koolstofvezels om holle profielen van vezelversterkte composieten te wikkelen. Dit sterk geautomatiseerde wikkelproces maakt het mogelijk efficiënt en economisch lichtgewicht vakwerk- en draagconstructies te ontwikkelen - ook voor mobiliteitstoepassingen.

 

CAE-procesketen

Maar niet alleen de verbindingstechniek zelf is bijzonder. Voor het complete proces is een complete CAE-procesketen ontwikkeld. Het wikkelproces kan worden ontworpen, gepland en uitgevoerd via een grafische gebruikersinterface. Het berekenen van het wikkelpatroon, het ontwerpen van de verbindingen volgens FEM en het simuleren van de bewegingen van de wikkelrobot zijn allemaal in de virtuele keten opgenomen. "De productie-eenheid is een complex, uitgebreid technisch systeem dat door de eindgebruikers als geheel kan worden gebruikt voor de assemblage van profielen. Door de modulaire opbouw kan het systeem flexibel worden aangepast aan de betreffende taak", zegt Marius Dackweiler, onderzoeker bij het wbk-instituut van het KIT.

Naast de complete CAE-keten is in de afgelopen jaren een modelmatige methode ontwikkeld voor het synchroniseren van de robotbeweging en de rotatie van de wikkelringen. Dit zorgt ervoor dat de eigenlijke wikkelbewegingen altijd overeenkomen met de gemodelleerde bewegingen of dat, in geval van afwijkingen, de beoogde bewegingen snel worden hersteld. Daarnaast is het vezelspansysteem uitgebreid met een op druksensoren gebaseerde regeleenheid om een gelijkmatigere verdeling van de spanning mogelijk te maken.

 
Met de ontwikkelde virtuele CAE-procesketen kunnen de verbindingen en het wikkelpatroon worden berekend evenals de bewegingen van de wikkelrobot en de rotatie van de wikkelringen.

Zuinig

"Bovendien is het proces bijzonder zuinig met grondstoffen, omdat de vezels kunnen worden afgezet in overeenstemming met de belastingsrichting, zodat er een bijzonder kleine hoeveelheid materiaal wordt verbruikt", aldus Dackweiler, die dit als belangrijk voordeel van de nieuwe technologie beschrijft. In dit geval betekent het feit dat de vezels optimaal zijn ontworpen voor een bepaalde belastingsweg, dat ze tijdens het verbinden alleen daar worden afgezet waar ze nodig zijn voor de belastbaarheid van het hele systeem. En een echt alternatief bestaat volgens Dackweiler eigenlijk niet: "Traditionele verbindingstechnieken zoals lijmen, lassen of schroeven presteren ofwel slechter, vernietigen de vezelstructuren of kunnen niet worden gebruikt voor duromere vezelcomposietprofielen".

 

Veel mogelijke toepassingen

Als je kijkt naar belastbaarheid hebben vakwerkconstructies over het algemeen een laag nettogewicht in vergelijking met andere gangbare constructiemethoden. Met de verbindingstechniek kan je dus bijzonder lichte, stijve en tegelijkertijd kostenefficiënte vakwerk- of trussconstructies maken voor de bouw en de kraanindustrie. Kraanbomen bijvoorbeeld worden meestal gemaakt met metalen profielen of ingewikkelde, metalen knoopelementen. Die elementen kan je vervangen vezels die in het verlengde van de belastingsweg worden gewikkeld. Het resultaat is een constructie van lichte profielen met een aanzienlijk lagere massa.

 

Partner gezocht

Verdere toepassingen zijn denkbaar in de automobiel- en tweewielerconstructie. In deze markten worden ‘spaceframes' voor chassis gebruikt als zogenaamde roosterframes. "De charme van dit verbindingsproces ligt in het feit dat er tijdens het verbinden geen schade wordt toegebracht aan de geavanceerde vezelcomposietprofielen, zoals bij het lassen of schroeven het geval zou zijn", legt Dackweiler uit. Door de vooruitgang die de afgelopen twee jaar is geboekt, is volledige automatisering voor potentiële klanten nu mogelijk. Dit is een belangrijke stap op de weg naar serieproductie. Een functioneel prototype bestaat al en daarom zoekt het instituut op dit moment naar een partner voor de industriële implementatie.