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Effiziente Composites- Verarbeitungsprozesse

Redakteur: Anne Richter

>> Hervorragende mechanische Eigenschaften, niedrige Zykluszeiten, hohe Produktionsmengen, geringe Kosten sind die Kriterien für Verarbeitungsprozesse von Faserverbundwerkstoffen. Auf der Fachmesse Composites Europe (27. bis 29. September in Stuttgart) zeigen die Aussteller ihre neuen Verarbeitungsverfahren für hochwertige Bauteile aus Faserverbundmaterialien.

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Am Anfang: Hochfeste Carbonfasern wie diese der Marke Panex von Zoltek bilden den Ausgangspunkt der Verarbeitung. (Bild: Zoltek)
Am Anfang: Hochfeste Carbonfasern wie diese der Marke Panex von Zoltek bilden den Ausgangspunkt der Verarbeitung. (Bild: Zoltek)

Die bei Laminaten bislang eingesetzten Techniken wie Handlegeverfahren, Handauflegen mit Vakuumpressen, Prepreg-Technologie, Vakuuminfusion, Faserwickeln oder Faserspritzen haben jede für sich Vorteile, aber eben auch Nachteile. Manche bedingen nur eine niedrigere Bauteilqualität (Handlegeverfahren) oder sind manuell und damit ungeeignet für die Grossserienproduktion (Handauflegen mit Vakuumpressen), andere sind aufgrund des benötigten Equipments und der anspruchsvollen Prozessführung teuer (Prepreg-Verfahren), wieder andere leiden unter der eingeschränkten Gestaltungsfreiheit (Faserwickeln).

Kurze Zykluszeiten durch HD-RTM

Fortschritte gab es dagegen in jüngster Vergangenheit bei der Vakuuminfusion (Resin Transfer Molding – RTM). Mit der Entwicklung und Optimierung der so genannten HD-RTM-Technologie (Hochdruck-Resin-Transfer-Molding) ergibt sich die Möglichkeit leichte, aber hochfeste Kohlefaserverbundbauteile mit erstklassigen Oberflächen durch eine Hochdruckverarbeitung von hochreaktiven Harzen und somit innerhalb kurzer Zykluszeiten (5 statt 30 Minuten) zu realisieren und damit insbesondere die Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen.

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Beim RTM werden trockene Fasern in eine Form eingelegt und anschliessend mit flüssigem Harz unter Druck umströmt. Durch Wärme wird das Harz ausgehärtet. Die Faserorientierung kann dabei durch Näh- und Stickverfahren im Vorformling durch gezieltes Ablegen den Lastfällen angepasst werden. Gegenüber dem klassischen Injektionsverfahren kann die neue Hochdruck-Technologie mit einer schnellen Injektion des reaktiven Gemisches in die Kavität aufwarten. Das sorgt für extrem kurze Aushärtezeiten und garantiert somit eine Taktzeitoptimierung im gesamten Prozess. So lassen sich auch hohe Stückzahlen adäquat realisieren.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, Langfasern und spezielle Verstärkungsmaterialien einzusetzen sowie Kernmaterialien und Inserts einfach zu integrieren. Auch bei der Farbgebung und Vorbehandlung der Oberflächen bietet RTM Vorteile. Hinzu kommen ein definierter Lagenaufbau, hohe dynamische Festigkeit, integrierter Brandschutz, ein gezielt einstellbarer Faservolumengehalt, definierte Wandstärken und beidseitig mögliche Design-Freiheit. Zudem lassen sich grossflächige Bauteile mit komplexen Geometrien realisieren.

Aussteller zeigen Vorteile, Chancen und Marktreife

Auf der internationalen Fachmesse Composites Europe, die vom 27. bis 29. September 2011 in Stuttgart stattfindet, werden nicht nur die neuesten Entwicklungen dieses Verarbeitungsverfahrens abgebildet. Interessierte können anhand einiger namhafter Aussteller die gesamte Prozesskette vom Rohstoff zum Bauteil nachverfolgen und so einen Eindruck von den Chancen, Vorteilen und der Marktreife der HD-RTM-Technologie gewinnen.

Zoltek beispielsweise liefert mit seinen hochfesten Fasern unter der Marke Panex einen Werkstoff, der sich in verschiedenen Verfahren – darunter auch HD-RTM – verarbeiten lässt. Nach Angaben von Martin O'Connor, President Business Development bei Zoltek Automotive, bietet Panex zum Teil bessere Materialeigenschaften als vergleichbare Produkte, ist aber mit etwas mehr als 20 US-Dollar pro Kilogramm deutlich günstiger. Zudem hält das Unternehmen die Preise seit Jahren stabil. Zoltek verfügt in seinen Werken in Nyergesújfalu (Ungarn), Abilene (Texas/USA) und Guadalajara (Mexico) über eine Kapazität von knapp 13 000 Jahrestonnen Carbonfasern, die innerhalb von nur sechs Monaten auf bis zu 33 000 Jahrestonnen gesteigert werden könnte.

Schnelle Zyklen, einfache Verarbeitung und kurze Härtung

Auch Huntsman ist Partner im Netzwerk und ebenfalls Aussteller auf der Composites Europe. Das Unternehmen bietet eine Vielzahl von Harzen der Araldite-Produktfamilie für den Einsatz im HD-RTM, die unter anderem für die Herstellung von schlagzähen Eishockeystöcken, Karosserieteilen des Lotus Vantage oder der Lüftungskühlbox des Ferrari F 430 verwendet werden. Neben schnellen Zykluszeiten und einfacher Verarbeitung überzeugen die RTM-Systeme laut Urs Waldvogel, Technical Specialist Adhesives, Composites and Tooling bei Huntsman Advanced Materials, durch hohe Temperaturbeständigkeit auch nach kurzer Härtung, gute mechanische Eigenschaften (harzdominierte Festigkeiten) und gute Adhäsion zu den Verstärkungsfasern. Ausserdem sind sie für den so genannten «Carbon Look», also den Einsatz in Sichtbauteilen, geeignet. Von der Seite der Maschinen-Hersteller sind beispielsweise die Composite-Spezialisten von Hennecke aus Sankt Augustin auf der Messe präsent. Das Unternehmen ist auf die Produktion von Maschinen und Anlagen für die Polyurethan-Verarbeitung fokussiert und hat einen innovativen verfahrenstechnischen Ansatz für die Herstellung von faserverstärkten Strukturbauteilen im Hochdruck-Verfahren entwickelt.

HD-RTM-Konzept bis hin zum Werkzeug

Ein HD-RTM-Konzept – von der Presse über die Injektion bis hin zum Werkzeug – bietet Krauss Maffei. Es bildet die Herstellung eines CFK-Bauteils mit allen Arbeitsschritten über die gesamte Prozesskette ab. Diese beginnt beim Konfektionieren der Fasern und der Herstellung der trockenen Faserpreforms, welche in ein speziell von Krauss Maffei konstruiertes und gefertigtes Werkzeug eingebracht werden. «Für uns besonders interessant ist dabei die Konstruktion des Formenträgers vom Typ MX600 mit Komponenten der Spritzgiesstechnik», erklärt Frank Peters, Geschäftsführer bei Krauss Maffei Technologies GmbH. Zum Konzept gehört eine Rimstar-Thermo-Misch- und Dosiereinheit, mit einer weltweit neuartigen Edelstahl-Pumpe aus Münchener Eigenfertigung, die den RTM-Hochdruckmischkopf versorgt. Dieser vermischt die Komponenten in Hochdrucktechnik, dosiert internes Trennmittel zu und bringt den Matrixwerkstoff mit niedrigen Drücken in die Form ein. Im geschlossenen Werkzeug werden die Kohlefasern mit dem Harz durchtränkt, anschliessend erfolgt die Aushärtung in einer Taktzeit von unter vier Minuten. Danach werden die Teile entnommen und der Fertigbearbeitung in einer Fräszelle zugeführt.

Im Rahmen seiner Kooperation mit Dieffenbacher bietet Krauss Maffei Komplettanlagen, die von der Abwicklung der Kohlefaser bis zum einbaubereit nachbearbeiteten Teil den gesamten Herstellungsprozess bedienen. Dieffenbacher liefert bei dieser Kooperation die Anlagentechnik zur automatisierten Herstellung der trockenen Kohlefaser-Preformteile, die Umformpresse mit Beschick- und Entnahmeroboter, Werkzeugreinigung und die Liniensteuerung. Krauss Maffei steuert das Werkzeug, die Materialdosierung samt Mischkopf sowie die Nachbearbeitungszellen bei.

Strukturbauteile aus CFK für Leichtbau

Sowohl Dieffenbacher als auch Krauss Maffei sind auf der Composites Europe vertreten. Wie weit Dieffenbacher die Anwendungsreife seiner Technologie gebracht hat, wird dadurch illustriert, dass im März die erste HD-RTM-Presse des Unternehmens bei Audi in Neckarsulm in Betrieb ging. Das Audi-Leichtbauzentrum arbeitet unter anderem an der Herstellung von Strukturbauteilen aus CFK für zukünftige Leichtbaukonzepte.

«Die enge Kooperation und die Vernetzung mit weiteren Partnern wie Anwendern, Faserherstellern, Harzlieferanten und Herstellern von Zerspanungssystemen sowie Forschungs- und Entwicklungsinstituten, erweist sich als äusserst zielführend für alle Beteiligten», so Matthias Graf, technischer Leiter der Business Unit Forming bei Dieffenbacher. «Im Netzwerk wird das gegenseitige Verständnis im Hinblick auf Ziele, technische Realisierbarkeit und Wirtschaftlichkeit geschärft und somit die Voraussetzung geschaffen, mit kurzen Entwicklungszeiten ein ausgereiftes Produkt auf den Markt gebracht zu haben. In der gesamten Prozesskette muss auf jedes einzelne Glied Verlass sein.»

Nachbearbeitung mit CFK- gerechten Schneidwerkzeugen

Für die Nachbearbeitung bietet Krauss Maffei Roboterfräszellen vom Typ Routingstar mit CFK-gerechten Schneidwerkzeugen und einer optimierten, patentgeschützten Absaugung innerhalb des Fräskopfes. Dies verringert Staub und die Verschmutzung der Bauteile. Routingstar V3 etwa ist eine Entwicklung primär für die Bearbeitung von Interieur-Bauteilen, die sich dank modularer Bauweise, Ein-Steuerungssystem und optimiertem Einlegebereich durch geringe Investitionskosten, zahlreiche Ausstattungsvarianten (ein bis drei Roboter), Mobilität und ein durchdachtes Abfallkonzept auszeichnet. Routingstar P kommt für die Bearbeitung von grossen Bauteilen mit hohem logistischem Aufwand zum Einsatz und verfügt deshalb über eine grosse Öffnungsweite im Einlegebereich sowie eine geringe Ladehöhe. Zudem bietet der Münchner Maschinenbauer auch kundenspezifische Beschnitt-Konzepte.

Endbearbeitung von CFK-Bauteilen

Auf die Endbearbeitung von CFK-Bauteilen ist Hufschmied Zerspanungssysteme spezialisiert. Auch dieses Unternehmen stellt sich auf der Composites Europe in Stuttgart vor. Bei den Composites nehmen viele Merkmale Einfluss auf die Nachbearbeitung, dazu gehören die Länge, Dicke und Ausrichtung der Fasern, die unidirektionale bis chaotische Verteilung sowie die rund 100 verschiedenen Harzsysteme am Markt und die entsprechenden Binder. Hinzu kommt: Faserverbundwerkstoffe haben Fehlstellen wie Poren, Anhäufungen, Verarmungen und fehlende Verbindungen. Hufschmied bietet jedoch eine Vielzahl von Werkzeugen an, die die Zerspanungsanforderungen der inhomogenen glas- und kohlefaserverstärkten Kunststoffe mit unterschiedlichen Beimischungsanteilen erfüllen und auch für die an den HD-RTM-Prozess gekoppelte Nachbearbeitung eingesetzt werden können. <<

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