Mit innovativen Technologien in die Zukunft

Redakteur: Anne Richter

>> Schweizer Unternehmen können im globalen Wettbewerb nur mit Innovationen bestehen. Technologie- und Entwicklungsdienstleister wie die Suisse Technology Partners AG aus Neuhausen unterstützen Unternehmen unterschiedlicher Grösse bei der Entwicklung innovativer Produkte und Prozesse. Anhand dreier Beispiele zeigt der Artikel die Vielfalt und die Möglichkeiten des Dienstleistungsunternehmens, dessen Kernkompetenzen vor allem im Bereich Werkstofftechnik liegen.

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Bild 2: Umformsimulation von Aluminium. (Bild: Suisse TP)
Bild 2: Umformsimulation von Aluminium. (Bild: Suisse TP)

Unternehmen aus Hochpreisländern wie der Schweiz müssen innovativ sein, wenn sie im internationalen Wettbewerb bestehen wollen. Dabei geht es nicht nur um innovative Produkte, sondern auch um innovative Prozesse. Doch oftmals haben kleine und mittlere Unternehmen nicht die Kapazitäten und Möglichkeiten, um Forschung und Entwicklung zu betreiben, und sind hier auf Partner angewiesen. Selbst Grosskonzerne nutzen die Möglichkeiten und Kompetenzen von Technologie- und Entwicklungsdienstleistern.

Werkstofftechnik für ein breites Spektrum

So beanspruchen Konzerne und KMU unterschiedlichster Branchen auch die Leistungen von Suisse Technology Partners (Suisse TP) als unabhängigen Forschungs- und Entwicklungspartner.

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Der Technologie- und IP-Dienstleister mit Sitz in Neuhausen am Rheinfall bietet rund um seine historisch gewachsene Kernkompetenz in der Werkstofftechnik ein breites Spektrum an Dienstleistungen: von chemischer Analytik über Materialwissenschaften und Engineering bis hin zu Fragen des geistigen Eigentums und Patentrecht.

Das Unternehmen ist als Management-Buy-out gegründet worden und die Kompetenzen der 42 Mitarbeiter basieren auf langjährigen Erfahrungen als Forschungsstandort namhafter Aluminiumkonzerne, beispielsweise der Alusuisse. «Die besondere Stärke unseres Unternehmens ist nicht unbedingt in einem ganz bestimmten Fachbereich zu finden, sondern sie liegt darin, dass wir komplexe, fachübergreifende Fragestellungen für den optimalen Materialeinsatz von Anfang bis Ende betreuen können. Darin liegt unsere Stärke und da sind wir auch einmalig», erklärt Günter Bergmann, Geschäftsführer und Mitinhaber von Suisse TP.

Messung der Wickeldichte von Färbespulen

Dementsprechend vielfältig und verschieden sind auch die Projekte des Unternehmens. Drei verschiedene Entwicklungen sollen beispielhaft die Vielfalt von Suisse TP aufzeigen. Das erste Beispiel kommt aus der Textilindustrie. Die Firma SSM mit Sitz in Horgen ist ein führender Hersteller von Maschinen zum Umspulen von Garnen. Für dieses Unternehmen entwickelte Suisse TP eine Qualitätssicherungsmethode für den Wickelprozess von Färbespulen mit Hilfe der Computertomografie.

Zum Färben muss das Garn in einer bestimmten und homogenen Dichte auf die Spule gewickelt werden, um so eine gleichmässige Färbung zu garantieren. Bisher konnte erst am Farbresultat gesehen werden, ob Inhomogenitäten beim Wickelprozess aufgetreten sind. Das stellte für den Maschinenhersteller eine unbefriedigende Lösung dar. Ziel war es, für Suisse TP zusammen mit dem Kunden SSM, eine Methode zu finden, mit der die Wickeldichte vor der Färbung festgestellt werden kann.

Röntgenstrahlen zur Qualitätsmessung

Dafür bot sich die Röntgentechnik an. Auf Grund der physikalischen Eigenschaften von Röntgenstrahlen können beim Durchleuchten Durchstrahlungsbilder erzeugt werden, deren Grauschattierungen Rückschlüsse auf die Dichte von Materialien zulassen. So waren schon auf 2D-Durchstrahlungsbildern Inhomogenitäten schlecht gewickelter Spulen sichtbar. Doch es sollte auch eine quantitative Auswertung erfolgen. Die Wissenschaftler von Suisse TP entwickelten eine Methode, um Querschnittsbilder der Garnrolle zu erzeugen, welche quantitative Aussagen über die Wickeldichte enthalten. Mit dieser Methode konnte SSM den Wickelprozess der Färbespulen optimieren und hat so auch eine Möglichkeit, Reklamationen seitens SSM-Kunden zu beurteilen. Das Verfahren wurde zum Patent angemeldet.

Die Methode ist nicht beschränkt auf einen einzigen Kunden und nicht auf eine einzige Branche. «Wir sehen hier ein sehr grosses Potential, diese Methode auch auf anderen Gebieten anzuwenden», erklärt Benedikt Moser, Mitinhaber von Suisse TP und Leiter des Bereiches Werkstofftechnologie. Eine Möglichkeit sei beispielsweise die Dichtemessung von Keramikgrünlingen. Aber sie kann generell überall da angewendet werden, wo die Materialdichte ermittelt werden muss.

Umformen: Herausforderung Aluminium

Leichtbaukonstruktionen sind inzwischen nicht mehr nur in der Luft- und Raumfahrt gefragt, sondern überall da, wo Massen bewegt werden sollen. Die Produktgeometrien sollen bei wenig Gewicht eine hohe Steifigkeit und Festigkeit gewähren. Im Automobilbau gibt es aus diesem Grund derzeit beispielsweise einen starken Trend zu Konstruktionen aus Aluminiumblech. Doch beim Tiefziehen der relativ komplexen Geometrien ist die Umformbarkeitsgrenze der verwendeten höherfesten Aluminiumlegierungen schnell erreicht und es kann zu Rissbildung kommen. Zusätzlich erschweren die anisotropen Eigenschaften dieser Legierungen die Beherrschung des Umformprozesses.

Numerisches Modell verkürzt Innovationszyklen

Tiefziehprozesse insgesamt sind sehr teuer und jede Prozessveränderung stellt ein enormes finanzielles Risiko dar. Allein die Werkzeuge sind nur mit grossem Aufwand herzustellen und sehr teuer. Im Auftrag eines Kunden entwickelte Suisse TP nun ein numerisches Modell, womit im Voraus Umformprozesse auch von Aluminium betrachtet werden können. Die Prozessoptimierung führte beim Kunden dazu, dass er ohne grossen Testaufwand eine von vier Tiefziehstufen einsparen konnte. Dies wiederum führte zu einer geringeren Beanspruchung des Materials, wodurch wiederum die Materialdicke und somit auch das Bauteilgewicht verringert werden konnte.

Insgesamt beginnt solch eine optimale Prozessauslegung mit der Charakterisierung des verwendeten Materials durch Suisse TP und der Identifikation der kritischen Stellen. Zusätzlich werden Werkzeugänderungskonzepte in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden erstellt. Die Optimierung des Prozesses erfolgt mit Hilfe der Simulationsmodelle und mit einer sorgfältigen Prozessanalyse als Basis. Zur Untersuchung der Robustheit werden die Prozessparameter einer Sensitivitätsanalyse unterzogen. Weiter kann auch der Einfluss des Umformprozesses durch die Beanspruchung des umgeformten Materials auf die Produktfunktionalität ermittelt werden.

Solche Prozessoptimierungen mit numerischen Modellen verringern den Aufwand für Prozessveränderungen entscheidend und sie haben das Potential Innovationszyklen erheblich zu verkürzen und den Anwendern Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. Auch werden damit Lösungen möglich, die vorher nicht vorstellbar waren.

Verbindungstechnik: Herausforderung Werkstoffpaarungen

Aluminium ist eigentlich das perfekte Leichtbaumaterial: es hat ein geringes spezifisches Gewicht, gute Korrosionseigenschaften und lässt sich sehr gut verarbeiten. Bei modernen Leichtbaukonstruktionen wie z.B. Automobilkarosserien werden häufig unterschiedlichste Materialien eingesetzt, um das jeweils «beste» Material an der «richtigen» Stelle zu haben. Bei der Mischbauweise ist die Verbindungstechnik eine der Schlüsseltechnologien. Das mechanische Fügen, z.B. das Stanznieten mit Halbhohl- oder Vollstanznieten – in der Regel in Kombination mit Klebstoff –, ist ein etabliertes Verfahren, um Aluminium und Stahl miteinander zu verbinden. Diese Verbindungen werden im Überlappstoss gefügt, wodurch ein Spalt entsteht, der unter ungünstigen Bedingungen zu Korrosionsproblemen führen kann.

Um diesen Nachteil zu eliminieren, müssen die Werkstoffe im Stumpfstoss gefügt werden. Eine solche Verbindung lässt sich beispielsweise mit einem energiereduzierten Lichtbogenschweissverfahren realisieren. Wie in Bild 3 zu erkennen ist, wird dabei das Aluminium aufgeschmolzen und mit dem verzinkten Stahlblech verlötet. Durch die verzinkte Stahloberfläche kommt der Prozess ohne Flussmittel aus, was aus umwelt- und prozesstechnischer Sicht sehr vorteilhaft ist.

Mit diesem Verfahren lassen sich auch Aluminium und Titan sehr gut thermisch verbinden. Suisse TP hat für spezielle Aluminium- und Titan-Legierungen, wie sie im Luftfahrtbereich eingesetzt werden, einen Prozess entwickelt, der nur eine einseitige Zugänglichkeit erfordert. Benedikt Moser bestätigt: «Wenn der Prozess einmal beherrscht wird, sind die Ergebnisse gut reproduzierbar.» Und er sieht neue Möglichkeiten für viele Branchen, den Prozess an ganz andere Werkstoffpaarungen anzupassen. <<

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