Effiziente Fertigungsprozesse mit integrativen Beschichtungs- technologien (EFFICOAT)

Problemstellung
Die Fertigungstechnologien zur Herstellung leichter Hybridbauteile mit erhöhter Leistungsfähigkeit und Lebensdauer im produktbereich Fahrzeug-Exterieur waren bislang noch mit einem erheblichen Material- und Energieaufwand verbunden, was im Wesentlichen auf die getrennten Einzelprozesse und die vielen Montageschnittstellen zurückzuführen war. Darüber hinaus musste bei den Beschichtungsvorgängen für Außenanbauteile ein enormer Aufwand betrieben werden, um den hohen Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden. Neuere Exterieurkomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen mit integrierten Sensoren und Antennen sowie metallischen Lasteinleitungselementen besitzen damit zwar hohe Bauteilleistungsdichten, die aber durch ineffiziente, kosten- und zeitintensive Fertigungsschritte erkauft wurde. Die Intelligenz lag daher fast ausschließlich im Produkt und nicht im Prozess. Im Rahmen des Verbundprojektes konnte diese Relation durch innovative und effiziente Fertigungstechnologien geradezu umgekehrt werden.

Projektziele
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer neuen innovativen Fertigungstechnologie für die energie- und ressourceneffiziente Produktion von Hybridbauteilen mit hoher Funktionsdichte. Durch die gezielte und bedarfsgerechte Gestaltung der Produkteigenschaften konnte die Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger Materialreduktion erhöht werden. Im Rahmen des Verbundprojektes wurde dabei durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit entlang der Wertschöpfungskette der gesamte Produktlebenszyklus evaluiert und hinsichtlich seiner Effizienz und Flexibilität optimiert. Insgesamt konnten Energieeinsparpotentiale von bis zu 50% ermitelt werden. Im Fokus der Entwicklungsarbeit stand die Flexibilisierung von Fertigungsprozessketten für die effiziente Fertigung von funktionsintegrierten Hybridbauteilen, die auf die steigende Variantenvielfalt und unterschiedliche Losgrößen zugeschnitten ist. Zudem lassen sich durch die realisierbare Gewichtsreduktion der Anbauteile die Lebenszykluskosten durch Kraftstoffeinsparungen senken.
Die Forschungsarbeiten begannen zunächst auf Basis einfacher Fertigungsversuche, um optimale Prozessfenster und Funktionskennzahlen zu ermitteln sowie eine hohe Reproduzierbarkeit in der Fertigung zu erzielen. Dazu kammen zunächst einfache Spritzgießwerkzeuge für Basiskomponenten zum Einsatz. Im weiteren Projektverlauf wurde ein integrales Werkzeugsystem für einen Hybrid-Demonstrator entworfen, konstruiert und hergestellt. Um das erwartete Verbesserungspotential, insbesondere hinsichtlich der Ressourceneffizienzsteigerung nachzuweisen, wurde für den beispielgebenden Weg als Pilotanwendung ein PKW-Heckdeckel ausgewählt, dessen Spezifikation von dem Endanwender gemeinsam mit dem Tier-1 vorgegeben wurde.

Vorgehensweise
Das Vorhaben umfasste neun Arbeitspakete, die entlang der durchgängigen Wertschöpfungskette angeordnet sind und die besonderen Kompetenzen der Projektpartner widerspiegeln. Zunächst wurden in einer Prozess- und Umfeldanalyse die sukzessive Vorgehensweise im Projekt festgelegt sowie die Schwerpunkte der Entwicklungsarbeit aus anlagen- und verfahrenstechnischer Sicht spezifiziert. Die Prozessentwicklung fand an einem generischen Demonstrator statt, der basierend auf den Anforderungen der neuartigen Prozesstechnik konzipiert wurde. Mit diesem „kleinen Demonstrator“ erfolgten Untersuchungen und Machbarkeitsstudien zu unterschiedlichen Werkstoffkombinationen und Fertigungsverfahren mit dem Ziel, in einem „Scale-up Prozess“ ausgereifte Technologien später auf den „großen Demonstrator“ übertragen zu können. Im Vordergrund stand dabei die Optimierung des Metall-Kunststoffverbundes für hochfeste Krafteinleitungssysteme mit integrativem Korrosionsschutz, die in-situ Einbettung von Antennen- und Sensortechnik und die Entwicklung einer innovativen Beschichtungstechnologie zur Herstellung Strukturbauteilen mit hochwertigen, class-A fähigen Oberflächen im Spritzgießverfahren. Richtungsweisend sind dabei neuartige Technologieansätze aus der Kombination von Spritzgieß- und Reaktionstechnik sowie der dynamischen kavitätsnahen Temperierung des Spritzgießwerkzeugs.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die erzielten Ergebnisse lassen sich entlang der Wertschöpfungskette stichpunktartig darstellen:
– Verringerung des Einsatzes von Schmiermitteln in der Blechumformung,
– Reduzierung der Blechvorbehandlung bei Hybridbauteilen durch den integrativen Korrosionsschutz einer fest haftenden Kunststoffummantelung,
– Verkürzung der Prozesskette durch die Implementierung „intelligenter Prozesse“,
– Energie- und Materialreduktion durch die integrative Beschichtungstechnologie „In-Mould Coating“,
– Erhöhung der Funktionssicherheit komplexer Strukturbauteile bei gleichzeitiger Materialreduktion.
Die Technologie und Verfahrenskonzepte konnten im Vorhaben anhand eines generischen Demonstrators entwickelt werden. Im weiteren Projektverlauf wurde aufbauend auf den Voruntersuchungen ein integrales Werkzeugsystem für eine Realanwendung eines PKW-Heckdeckels realisiert, womit Ressourceneinsparpotenziale nachgewiesen werden konnten. Von den Ergebnissen des Vorhabens profitieren sowohl Metall- als auch Kunststoffverarbeiter, da die Optimierung des Ressourceneinsatzes entlang der gesamten Wertschöpfungskette stattfindet. Die Übertragung der Ergebnisse auf andere Komponenten im Automobil ist im vollen Umfang gegeben.

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