CFRP sandwich materials with hinges integrated into the bionic-optimized, 3D-printed plastic core

Components made of sandwich materials with carbon fiber composites (CFRP) offer the highest specific strength and rigidity as a basis for high-performance lightweight construction, but are complex and expensive to manufacture or integrate into assemblies:
(1) The shaping (resin curing) of components with honeycomb or foam cores, but also CFRP hollow bodies, requires cost-intensive molding tools (negative molds) for standard technologies (autoclaving, vacuum pressing).
(2) Their integration into overall structures requires the use of inserts and attachments (e.g. hinges, bearings, toothed rails) made of metallic materials (aluminum, titanium, etc.), which are complex and expensive to manufacture (sometimes require a lot of machining) especially to meet the lightweight construction requirements and are often the starting point for the failure of the composite due to very unfavorable stress distribution.

The aim of the “3D-core4CFK” project is therefore to develop a new manufacturing technology on a laboratory scale, with a focus on future assemblies in the air cabin sector (e.g. luggage compartments, passenger tables, shelves), which integrates add-on elements into the component and, based on bionic topology and lattice optimization of the geometrically complex plastic cores required for this with CFRP outer layers oriented along the force flow, (1) ensures dimensional stability for shaping that is as completely tool-free as possible and (2) enables this dispensing with metallic inserts and add-on parts through optimal force introduction into the outer layers.
Such complex cores made of bionically optimized lightweight structures based on a bird's wing bone cannot be realized economically or technologically using conventional manufacturing processes (e.g. injection molding with cost-intensive molds), but additive manufacturing processes (“3D printing”) such as selective laser sintering (SLS) with the comparatively best achievable mechanical material properties are particularly suitable for this purpose. However, polymers used in SLS have too low wear resistance, especially for plain bearings, but this can be circumvented by applying new, cost-effective atmospheric pressure plasma coatings (APPD) with low friction values ​​and the possibility of self-healing after overloading.

Simulations and preliminary studies in the consortium with a focus on the technology implementation in manufacturing processes showed that the following fundamental-focused industrial research needs exist, taking into account the construction regulations to be complied with (FAR, JAR, CS):
• SLS of cores made of flame-resistant PA12 with bionic-optimized ultra-lightweight structures with significantly increased construction rates (> 170 cm³ per h & laser):
• Achieving homogeneous mechanical properties even in very different material cross-sections of rods and nodes of cellular and bionic lattices as a basis for ensuring uniformly high plastic strain reserves against failure under dynamic loads
ð Optimization of the structure size-dependent, locally required heat input for complete fusion/sintering with the underlying layer (minimization of porosity), but without thermal degradation due to overheating of the PA12.
• Avoidance of plastic deformation of the core during vacuum pressing / autoclaving and sagging of the carbon fibers (PrePregs) if the distance between the support points is too great
ð Topology & lattice optimization of the bionic structure with additional consideration of the manufacturing requirements for the CFRP outer layers
• Achievement of smooth surfaces and high load-bearing capacity of the inserts and sliding bearing surfaces for integrated attachments
ð new SLS scan strategies to increase the possible surface pressure in combination with coordinated bionic force introduction into the CFRP outer layers
• high-strength, pore-free connection of the core with the CFRP outer layers in the sandwich:
• Development of the vacuum pressing and autoclaving processes taking into account the heat resistance of the cellular PA12 material / core using aviation-approved PrePregs with cold- or hot-curing epoxy resins
• Adhesion improvement (formation of Fillet welds of the epoxy resin due to increased wettability of the PA12) through surface pretreatment of the SLS-PA12 with rough surfaces using wet or plasma chemical processes
• cost-effective atmospheric pressure plasma coating processes (APPD) with low temperature stress when applying innovative thick layers (~200 µm thick) based on MoS2/diamond-like carbon to increase the wear resistance of the SLS-PA12 plain bearing surface on hinges and sliding surfaces:
• Achieving high layer adhesion on rough PA12 with only partially sintered powder particles on the surface through thermal it post-sintering using a short, high-energy inert gas plasma interaction
• Guarantee of low friction (<0.1) independent of humidity in the dry, unlubricated state (emergency running) for the plain bearing surfaces by utilizing self-adaptation of the surfaces to the counter surface and self-healing of layer cracks after overloading the load-bearing capacity of the PA12 base material
• Development of a "digital element kit" for future simplified topology & lattice optimization of sandwich components that can be manufactured using the new manufacturing technology based on guidelines to be developed on 2 demonstrators for function-centered design, taking into account the achievable material properties and SLS, lamination/autoclaving and APPD technological limitations

The realization of the industrial R&D is planned by a consortium of innovation-oriented industrial partners, i.e. RPD as an established SLS service provider with subcontractor LSS as Plant manufacturer, Carbon-Solutions Hintsteiner as a CFRP component manufacturer, Inocon as a manufacturer of APPD plasma jet systems and contract coater and SinusPro as a service provider for component design and optimization with a specialization in generative manufacturing. These are supported by the research partners JR in the area of ​​APPD layer development and PCCL for material testing. The technology integration into industrial series production is targeted after subsequent experimental process upscaling and EASA approval from 2022, i.e. 2 years after the end of the project, in the area of ​​the diverse interior applications of the aviation suppliers AMES and F/List involved as project partners.

[Original text]
"CFK-Sandwich-Werkstoffe mit in den bionisch-optimierten, 3D-gedruckten Kunststoff-Kern integrierten Scharnieren"
Bauteile aus Sandwich-Materialien mit Carbonfaser-Verbundwerkstoffen (CFK) bieten zwar höchste spezifische Festigkeit und Steifigkeit als Basis für Hochleistungs-Leichtbau, sind jedoch nur aufwendig und kostenintensiv zu fertigen bzw. in Baugruppen zu integrieren:
(1) Die Formgebung (Harz-Aushärtung) von Bauteilen mit Waben- oder Schaumkern, aber auch CFK-Hohlkörpern erfordert für die Standard-Technologien (Autoklavieren, Vakuum-Pressen) kostenintensive Form-Werkzeuge (Negativ-Formen).
(2) Deren Integration in Gesamtkonstruktionen erfordert die Verwendung von Inserts und Anbauelementen (z.B. Scharniere, Lager, Zahnschienen) aus metallischen Werkstoffen (Aluminium, Titan, etc.), welche speziell zur Erfüllung der Leichtbau-Anforderungen fertigungstechnisch aufwendig und teuer sind (z.T. großer Zerspanungsaufwand) und aufgrund sehr ungünstiger Spannungsverteilung oftmals Ausgangspunkt für das Versagen des Komposits sind.

Ziel des Projekts „3D-core4CFK“ ist es daher mit Fokus auf zukünftige Baugruppen im Aircabin-Bereich (z.B. Gepäckfächer, Passagiertische, Ablagen), eine neue Fertigungstechnologie im Labormaßstab zu entwickeln, welche Anbauelemente in die Komponente integriert, und basierend auf bionischer Topologie- und Lattice-Optimierung von dazu notwendigen geometrisch-komplexen Kunststoff-Kernen mit entlang des Kraftflusses orientierten CFK-Außenlagen (1) die Formstabilität für möglichst vollständig werkzeuglose Formgebung und (2) durch optimale Krafteinleitung in die Außenlagen diesen Verzicht auf metallische Inserts und Anbauteile ermöglicht.
Derartige komplexe Kerne aus bionisch optimierten Leichtbaustrukturen nach Vorbild eines Vogel-Flügelknochens sind mit konventionellen Fertigungsverfahren (z.B. Spritzguss mit kostenintensiven Formen) wirtschaftlich und technologisch nicht realisierbar, jedoch bieten sich dafür speziell additive Fertigungsverfahren („3D-Druck“) wie z.B. das Selektive Lasersintern (SLS) mit den vergleichsweise besten erreichbaren mechanischen Materialeigenschaften an. In der SLS genutzte Polymere haben jedoch speziell für Gleitlagerungen zu niedrige Verschleißbeständigkeit,  was jedoch durch die Aufbringung neuartiger, kostengünstiger Atmosphärendruck-Plasma-Beschichtungen (APPD) mit niedrigen Reibwerten und der Möglichkeit zur Selbstheilung nach Überlastung umgangen werden kann.

Simulationen und Vorstudien im Konsortium mit Fokus auf die Technologie-Implementierung in Fertigungsprozesse zeigten, dass folgender Grundlagen-fokussierter industrieller Forschungsbedarf unter Berücksichtigung der einzuhaltenden Bauvorschriften (FAR, JAR, CS) besteht:
• SLS von Kernen aus flammbeständigem PA12 mit bionisch-optimierten Ultra-Leichtbau-Strukturen mit signifikant gesteigerten Bauraten (&gt; 170 cm³ pro h & Laser): 
• Erzielung homogener mechanischer Eigenschaften auch in stark unterschiedlichen Materialquerschnitten von Stäben und Knoten zellularer und bionischer Gitter als Basis der Gewährleistung gleichmäßig hoher plastischer Dehnungsreserve gegen Versagen unter dynamischen Belastungen 
ð Optimierung des Strukturgrößen-abhängigen, lokal erforderlichen Wärmeeintrags für vollständiges Verschmelzen/Versintern mit der darunterliegenden Lage (Minimierung der Porosität), aber ohne thermische Degradation durch Überhitzung des PA12.
• Vermeidung von plastischer Verformung des Kerns während des Vakuumpressens / Autoklavierens sowie des Durchhängens des Carbonfasern (PrePregs) bei zu hohem Abstand der Auflagepunkte  
ð Topologie- & Lattice-Optimierung der bionischen Struktur unter zusätzlicher Berücksichtigung der Fertigungsanforderungen für die CFK-Außenlagen 
• Erzielung glatter Oberflächen und hoher Lasttragfähigkeit der Inserts und Gleitlagerflächen für integrierte Anbauteile 
ð neue SLS-Scan-Strategien zur Erhöhung der möglichen Flächenpressung in Kombination mit abgestimmter bionischer Krafteinleitung in die CFK-Außenlagen 
• hochfeste, porenfreie Verbindung des Kerns mit den CFK-Außenlagen im Sandwich:
• Entwicklung der Vakuumpress- und Autoklavier-Prozesse unter Berücksichtigung der Wärmeformbeständigkeit des zellularen PA12-Materials/-Kerns unter Nutzung von Luftfahrt-zugelassenen PrePregs mit kalt- bzw. warmaushärtenden Epoxidharzen
• Haftungsverbesserung (Ausbildung von Kehlnähten des Epoxidharzes durch erhöhte Benetzbarkeit des PA12) durch Oberflächenvorbehandlung des SLS-PA12 mit rauen Oberflächen durch nass- oder plasmachemische Verfahren 
• kostengünstige Atmosphärendruck-Plasma-Beschichtungsprozesse (APPD) mit geringer Temperaturbelastung beim Auftrag von innovativen Dickschichten (~200  µm Dicke) auf Basis von MoS2/Diamond-like-Carbon zur Erhöhung der Verschleiß-beständigkeit der SLS-PA12-Gleitlager-Oberfläche auf Scharnieren und Gleitflächen:
• Erzielung hoher Schichthaftung auf rauem PA12 mit nur teilweise versinterten Pulverpartikel an der Oberfläche durch thermisches Nachversintern mittels kurzer hochenergetischer Inertgas-Plasma-Interaktion 
• Gewährleistung von Luftfeuchtigkeits-unabhängiger, niedriger Reibung (&lt;0.1) im trockenen, ungeschmierten Zustand (Notlauf) für die Gleitlagerungsflächen unter Ausnutzung von Selbstadaptierung der Oberflächen an die Gegenfläche sowie Selbstheilung von Schichtrissen nach Überlastung der Tragfähigkeit des PA12-Grundwerkstoffs
• Entwicklung eines „digitalen Element-Baukastens“ für zukünftig vereinfachte Topologie- & Lattice-Optimierung von mit der neuen Fertigungstechnologie herstellbaren Sandwich-Bauteilen basierend auf an 2 Demonstratoren zu entwickelnden Leitlinien zur funktionszentrierten Konstruktion unter Berücksichtigung der erzielbaren Materialeigenschaften und SLS-, Laminierungs-/Autoklavierungs- und APPD-technologischen Einschränkungen

Die Realisierung der industriellen F&E ist durch ein Konsortium aus auf Innovation ausgerichteten Industriepartnern geplant, d.h. RPD als etablierter SLS-Dienstleister mit Subauftragnehmer LSS als Anlagenhersteller, Carbon-Solutions Hintsteiner als CFK-Komponenten-Fertiger, Inocon als Hersteller von APPD-Plasmajet-Anlagen sowie Lohnbeschichter und SinusPro als Dienstleister für die Bauteilauslegung und -optimierung mit Spezialgebiet generative Fertigung. Diese werden durch die Forschungspartner JR im Bereich der APPD-Schichtentwicklung und PCCL für Materialprüfung unterstützt. Die Technologieintegration in industrielle Serienfertigung wird nach anschließendem experimentellen Prozess-Upscale sowie EASA-Zulassung ab 2022, d.h. 2 Jahre nach Projektende, im Bereich der vielfältigen Interieur-Anwendungen der als Projektpartner beteiligten Luftfahrt-Zulieferer AMES und F/List anvisiert.