Katalysator für Thermoplast-Composite-Bauteile in Serie

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Eine Fertigungszelle von Engel zum Umspritzen faserverstärkter Halbzeuge am NCC in Bristol bereitet Automobil-Anwendungen den Weg in die Großserie.

Composite-Leichtbau auf Basis von Thermoplasten verspricht effizientere Fertigungsprozesse und ein Recycling ausgedienter Bauteile. Bis die innovativen Materialien und Verfahren im großen Stil eingesetzt werden, gilt es noch einige Herausforderungen zu lösen und noch mehr Erfahrungen zu sammeln. Beides hat sich das britische Forschungsinstitut National Composites Centre (NCC) zum Ziel gesetzt.

Für viele Unternehmen in der Composite-Branche bedeutet der Trend zu thermoplastischen Materialien, dass sie sich mit völlig neuen Verfahren befassen müssen. Auch für das NCC ist es die erste Spritzgießmaschine. Engel lieferte eine Duo 1700 Großmaschine inklusive einem Knickarmroboter von Kuka und einem integrierten Infrarot-Ofen. „Viele der namhaften Automobilhersteller und Tier-Supplier haben Duo Maschinen in ihren Werken und außerdem arbeiten auch unsere Partnerinstitute in den USA und Japan mit diesem Maschinentyp“, so Gallen. Ein zweites Kriterium für die Entscheidung für Engel war die Flexibilität, die die Systemlösungen der Österreicher eröffnen. Das breite Anwendungsspektrum aus eigenen Forschungsprojekten und Firmenkooperationen erfordert es, dass sich die Fertigungszelle in kurzer Zeit an immer wieder neue Anforderungen, neue Materialien und neue Technologien anpassen lässt.

Duo für große Bauteile

Mit 17.000 kN Schließkraft eignet sich die Duo Spritzgießmaschine für große Bauteile. Um praxisnah entwickeln zu können, basieren die Demonstratorwerkzeuge auf den Geometrien realer Autokomponenten. Die Musterteile weisen unterschiedliche Größen und Komplexitäten auf. Verarbeitet werden bislang vor allem Organobleche. Diese werden im Infrarot-Ofen erwärmt, vom Roboter ins Werkzeug eingelegt, dort geformt und sogleich mit Kunststoff umspritzt. „Dass der Infrarot-Ofen oberhalb der Schließeinheit sitzt, vereinfacht das Handling und reduziert die Zykluszeit“, berichtet Gallen.

Treiben gemeinsam die Herstellung von Composite-Bauteilen in hohen Stückzahlen voran (v.l.n.r.): Sean Cooper (NCC), Graeme Herlihy (Engel), Paul Gallen (NCC) und Christian Wolfsberger (Engel). Foto: NCC

Im Fokus weiterer Entwicklungen stehen unidirektional (UD) faserverstärkte Tapes. Mit Hilfe dieser UD-Tapes lassen sich besonders stark beanspruchte Bereiche im Bauteil gezielt verstärken, um das Leichtbaupotenzial noch besser auszuschöpfen. „Das NCC ist bereits heute führend im Bereich des automatisierten Faserlegens, da ist der Weg zu UD-Tapes nicht weit“, so Gallen. Mit drei unterschiedlich ausgelegten Tape-Legezellen ist das NCC gut gerüstet, die Layups vor Ort zu produzieren und in einem integrierten Prozess weiterzuverarbeiten.

Vom Produktdesign bis zum Recycling

Das NCC ist eine integrierte Fabrik, alle Prozesse können im Gesamtkontext – von der Materialentwicklung über die Simulation, Konstruktion und Verarbeitung bis zum Recycling entwickelt und optimiert werden. „Gerade beim Thema Composites sind die Schnittstellen wichtig“, macht Sean Cooper, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am NCC deutlich. „In keinem anderen Bereich greifen Material, Design und Verarbeitung so stark ineinander. Verändert man nur einen dieser drei Faktoren, kommt am Ende ein völlig anderes Ergebnis raus.“

Auch für das spätere Recycling gilt es, schon während der Produkt- und Prozessentwicklung die Weichen zu stellen. In ersten Projekten befasst sich das NCC gemeinsam mit Industriepartnern mit hochwertschöpfenden Recycling-Konzepten. „Ziel ist es, dass zum Beispiel sicherheitsrelevante Bauteile aus langfaserverstärkten Materialien ein zweites Leben als Sitzbank oder Instrumententafel auf Basis kurzfaservertärkter Materialien erhalten“, so Gallen.

Viele Testreihen fahren die NCC-Entwickler von Beginn an zweigleisig, sowohl mit für die Automobilindustrie typischen Materialien vor allem aus der PA-Familie als auch mit den Hochleistungskunststoffen PEEK und PPS, die bevorzugt im Flugzeugbau Verwendung finden. „Über die letzten zwei Jahren hat sich die Flugzeugindustrie intensiv damit beschäftigt, was Thermoplast-Composites auch für sie tun können“, berichtet Gallen. „Ein Umstieg auf Thermoplaste führt in dieser Branche vielfach zu einem massiv kleineren CO2-Footprint.“

Den Anfang machen Hochvolumenanwendungen, die es durchaus auch im Flugzeugbau gibt. Befestigungselemente wie Klammern zum Beispiel, die bislang aus Aluminium oder Duroplast-basierten Composites bestehen. „Am Ende vom Tag stehen Composites immer im Wettbewerb zu Stahl oder Aluminium“, sagt Paul Gallen. „Composites kommen nur dann zum Zug, wenn die Teile noch leichter, die Stückkosten noch günstiger und die Fertigungsprozesse noch effizienter sind. Unser Ziel ist es, zusätzlich auch noch bessere Bauteileigenschaften zu erhalten.“

sk

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