Werden Bauteile aus Faserverbund konkurrenzfähig?

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Die wirtschaftliche Produktion von Bauteilen aus Faserverbunden rückt näher: Das Projekt „iComposite 4.0“ reduziert die Kosten von um 50 % und die Durchlaufzeit um 40 %.

BMW hat es mit dem Monocoque aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) im BMW i3 einfach gemacht, doch CFK kommen im automobilen Leichtbau weiterhin nur vereinzelt zum Einsatz, sie haben den Sprung in die Serienfertigung noch nicht geschafft. Auch wenn im BMW Werk Leipzig seit 2013 bereits mehr als 150.000 BMW i3 gebaut wurden, und entgegen den in der Autobranche üblichen Spielregeln der Absatz dieses Elektroautos von Jahr zu Jahr zunimmt, es bleibt dabei: Die Herstellungskosten für Teile aus CFK sind einfach immer noch zu hoch.

Kosten und Zykluszeit deutlich gesenkt

Beim dem Forschungsprojekt „iComposite 4.0“ ist es Schuler, einem Hersteller von hydraulischen Pressensystemen für Faserverbundkunststoffe, gemeinsam mit Partnern nun gelungen, die Kosten für ein Prototyp-Teil aus CFK um mehr als 50 % und die Zykluszeit des Prozesses um über 40 % zu reduzieren. Bei dem Referenz-Bauteil handelt es sich um eine Bodenplatte, die unter dem Motor und dem Fahrgastraum eines englischen Sportwagens angebracht ist. Ihre Struktur muss sowohl auf einen Frontalaufprall als auch auf eine hohe Torsionssteifigkeit und natürlich die Sitzlast ausgelegt sein. Betragen die Kosten für die herkömmliche Fertigung aus CFK fast 400 EUR pro Stück, sanken sie bei iComposite 4.0 auf rund 150 EUR. Die Durchlaufzeit verringerte sich von 73 auf 46 Minuten.

Grundstruktur aus Glasfaser, Lastpfade aus Carbonfaser

Selbstregulierende Produktion: Ein Roboter spritzt die Grundstruktur aus Glasfaser, ein anderer legt CFK-UD-Tapes entlang automatisch berechneter Lastpfade. Zum Schluss wir das Bauteile mittels RTM fertiggestellt. Fotos: IKV, AZL, Apodius, Schuler

Im ersten Produktionsschritt, für den das Aachener Institut für Kunststoffverarbeitung zuständig ist, spritzt ein Roboter die Grundstruktur aus Glasfaser auf. Ein Algorithmus – entwickelt vom Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) und CFK-Anbieter Teijin Carbon – berechnet als Nächstes die individuelle Zugfestigkeit. Abhängig davon legt dann ein anderer Roboter die Carbonfasern. Und zwar in einem ganz bestimmten Verfahren, das Schwankungen der Bauteileigenschaften ausgleicht. Dieses Ablegeverfahren stammt von Siemens und Broetje Automation Composites. Die optische Kontrolle erfolgt durch ein 3D-Messsystem von Apodius.

Kein teurer Ausschuss, kein Verschnitt

In die Matte aus Verbundfasern, die auf diese Weise entsteht, wird anschließend Harz injiziert. Es härtet unter dem hohen Druck der hydraulischen Schuler-Presse aus, die das Bauteil zum Abschluss formt. Dabei fließt auch Werkzeug-Technologie der Spezialisten von Frimo ein. Für die gewünschte Wanddicke kann die Presse die Durchbiegung des Werkzeugs gezielt beeinflussen. Damit lassen sich ab der Stückzahl eins Gutteile herstellen, der Ausschuss reduziert sich also auf null.

Bislang benützen Hersteller von Faserverbund-Teilen Carbon-Matten als Ausgangsmaterial, das zugeschnitten werden muss. Die Ausnutzung kann dabei auf bis zu 50 % sinken; Fast die Hälfte der teuren Kohlenstofffasern können die Produzenten also gar nicht verwenden. Bei iComposite 4.0 wird das benötigte CFK vollständig verbraucht, der Verschnitt beträgt null. Gleichzeitig sinkt die Durchlaufzeit, während die Ausbringungsleistung steigt.

Ein integrierter RFID-Chip von ID-Systec sorgt für die Rückverfolgbarkeit („Track & Trace“) der Produktionsdaten. Sämtliche Bestandteile der Fertigungslinie, die beim AZL an der RWTH Aachen läuft, sind miteinander vernetzt. Die Erkenntnisse des Forschungsprojekts sollen nun in die industrielle Praxis Eingang finden.

Übrigens: Die beiden Projektpartner Teijin Carbon und Broetje-Automation stellen auf der Composites Europe vom 10. bis 12. September 2019 in Stuttgart aus.

mg

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