Leichtbau in großen Serien

Meinolf Droege,

Effizienz für anspruchsvolle Composite-Prozesse in Serie

Die Automobilindustrie eignet sich aufgrund der Vielfalt an Anwendungen zur Demonstration des Standes der Technik – und dem, was die Composite-Verarbeitung künftig an Chancen auf neue Lösungen anbieten wird. Ort der Demonstration ist die JEC im März des Jahres.

Mit der V-Duo wurde eine Maschinenbaureihe speziell für Faserverbundanwendungen entwickelt. © Engel

Im Organomelt Verfahren werden thermoplastische Faserverbund-Halbzeuge wie Organobleche und UD-Tapes umgeformt und funktionalisiert. Es lassen sich beispielsweise Versteifungsrippen oder Montageelemente unmittelbar nach dem Umformen mit einem Thermoplast aus der Werkstoffgruppe des Matrixmaterials anspritzen. Dies ermöglicht sehr effiziente, vollständig automatisierte Fertigungsprozesse und ermöglicht einen Beitrag zur Circular Economy. Der konsequent thermoplastische Ansatz vereinfacht das spätere Recycling der Bauteile, fasst Systemanbieter Engel wichtige Vorteile zusammen. Anspruchsvolle Strukturbauteile werden demnach zum Beispiel in den USA bereits in Großserie produziert. Dank eines hohen Organoblech-Anteils zeichnen sich diese Bauteile durch besonders geringes Gewicht und gute Crasheigenschaften aus. Engel lieferte für die vollautomatisierte Großserienfertigung eine Duo Spritzgießmaschine, mehrere Easix Knickarmroboter für die Vorbereitung einer Vielzahl von Metall-Inserts und das Organoblech-Handling, einen Viper Linearroboter sowie einen IR-Ofen als integrierte Systemlösung.

Die Organomelt Technologie eigne sich für Organobleche und für unidirektional (UD) glas- und/oder carbonfaserverstärkte Tapes mit thermoplastischer Matrix. Tapes ermöglichen es, die einzelnen Bereiche im Bauteil lastgerecht zu verstärken, um sie gezielter an die Belastung anzupassen. Künftig sollen sich auch unterschiedlich dicke Tapes und auch Organobleche und Tapes miteinander kombinieren lassen, um das Leichtbaupotenzial jeweils optimal auszuschöpfen.

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Die Tape-Legezelle nutzt hochauflösende Kameratechnik um aus Tape-Zuschnitten präzise Stacks zu fertigen. © Engel

Um die Effizienz zu steigern, können die Fasergelege inline und im Takt des Spritzgießprozesses gelegt und konsolidiert werden. Dafür stehen vollständig integrierte Systemlösungen zur Verfügung. Neben Verarbeitungsmaschinen, Robotern und IR-Öfen kommen Pick-and-Place-Tape-Legezellen mit optischer Bildverarbeitung aus der eigenen Entwicklung und Konstruktion zum Einsatz. Gemeinsam mit seinem Partner Fill hat Engel das Angebot jüngst um eine Konsolidieranlage für Fasergelege unterschiedlicher Wanddicken erweitert.

In-situ-Polymerisation und One-Shot
Eine weitere thermoplastische Composite-Technologie ist die In-situ-Polymerisation von ε-Caprolactam zu Faserverbund-Tragstrukturen und deren Funktionalisierung im Spritzguss. In der V-Duo Vertikalmaschine finden der Reaktiv- und der Spritzgießprozess parallel statt. Dank der niedrigen Viskosität des aufgeschmolzenen ε-Caprolactams lassen sich vorgeformte, trockene Verstärkungstextilien gut benetzen, sodass sich beim Polymerisieren zu Polyamid 6 ein stark belastbarer Verbund ergibt. Dieser wird in einer zweiten Kavität des Werkzeugs durch das Anspritzen von Verstärkungsrippen und Konturen aus faserverstärktem PA 6 funktionalisiert. Als nach eigenen Angaben erster Anbieter am Markt setzt Engel bei der In-situ-Polymerisation darauf, das feste Monomer bedarfsorientiert aufzuschmelzen und zu verarbeiten. Die Vorteile seien eine deutlich reduzierte thermische Belastung und somit eine höhere Produktqualität.

Die Konsolidieranlage für die Verarbeitung von UD-Tapes lässt sich in den Gesamtprozess integrieren, was die Effizienz in der Produktion maßgeschneiderter Tape-Lösungen deutlich erhöht. © Engel

Die V-Duo-Baureihe, die mit oder ohne Spritzeinheit angeboten wird, sei gezielt für Faserverbundanwendungen entwickelt worden“, sagt Christian Wolfsberger. Die kompakte, niedrige Bauweise vereinfache manuelles Arbeiten. Gleichzeitig ermögliche die Maschine effiziente Automatisierungskonzepte, was die Industrialisierung neu entwickelter Verarbeitungsverfahren beschleunige.

Mehr Effizienz für duromere Systeme
Dass sich auch für schon lang etablierte Technologien die Fertigungseffizienz steigern lässt, sollen zwei Beispiele aus dem Bereich Duroplast-Leichtbau demonstrieren: Zum einen geht es am Messestand um die CfK-Rückwände des Audi A8. Diese großen Bauteile mit einer komplexen Carbonfaserstruktur und lokalen Verstärkungen werden bei Voith in Garching auf einer V-Duo 1700 Maschine im vollständig automatisierten HP-RTM-Verfahren produziert.

Aus einer Hand werden hochintegrierte und vollständig automatisierte Fertigungszellen für die Herstellung von Composite-Bauteilen geliefert. Die Anlage für die Organomelt Technologie umfasst Duo Spritzgießmaschine, Viper Linear- und Easix Knickarmroboter, IR-Ofen sowie Förderbänder und weitere Handling-Einheiten. © Engel

Zum anderen präsentiert Engel Getriebeträger auf Basis von SMC (Sheet Moulding Compounds). In einem Entwicklungsprojekt wurde gemeinsam mit dem Institut für Polymer Product Engineering IPPE der Johannes Kepler Universität in Österreich und den Unternehmen Hexcel und Alpex ein neuer Fertigungsprozess auf Basis des Fließpressens für diese dynamisch hochbelasteten Fahrzeugkomponenten entwickelt. Ausgangsmaterial ist ein flächiges Carbonfaser-Halbzeug mit 50 Millimeter Faserlänge und einer Matrix aus Epoxidharz. Die Analyse der ersten Bauteile zeige gegenüber der ursprünglich aus Aluminium gefertigten Komponente eine deutliche Gewichtsersparnis und verbesserte Bauteileigenschaften.

Von anspruchsvollen Sicht- und Außenhautbauteilen bis zu Strukturkomponenten mit integrierter Funktionalität findet das Fließpressen mit SMC für ein breites Spektrum an Faserverbundbauteilen Einsatz. In kurzen Zyklen lassen sich komplexe Geometrien und eine lackierfähige Oberflächenqualität erzielen. Mit ihrer leistungsstarken Mess- und Regeltechnik, dem flexiblen Prägeverfahren und der integrierten Parallelitätsregelung sei die V-Duo für die SMC-Verarbeitung prädestiniert. Die Verarbeitungsparameter lassen sich gezielt an die Bauteilanforderungen anpassen, um eine höhere Bauteilqualität zu erzielen.

Von der Verarbeitung thermoplastischer Halbzeuge und duroplastischer Pressmassen bis zu reaktiven Technologien steht ein breites Spektrum von Technologien für den Leichtbau auch in hohen Stückzahlen – nicht nur in der Automobilindustrie – zur Verfügung. Es bedarf einiger Automatisierungs- und Systemlösungskompetenz, um auch wirtschaftlich erfolgreiche Prozesse zu installieren. Das 2012 gegründete Engel Technologiezentrum für die interdisziplinäre Entwicklung neuer Composite-Verfahren soll dazu innovative Beiträge liefern.

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