Effizientes Pressverfahren zur Herstellung faserverstärkter thermoplastischer Bauteile mit Endlosfasern hoher Orientierung (EffiPressOr)

Problemstellung
Thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden aufgrund ihrer Eignung für den Einsatz in hochautomatisierten Prozessen sowie ihrer niedrigen Kosten bevorzugt im Automobilsektor eingesetzt. Der Einsatz von langfaserverstärkten Formmassen (LFT) mit gezielten Verstärkungen aus endlosfaserverstärktem Material (EFT) erlaubt die Realisierung besonders gut an die Anforderungen angepasster und damit effizienter Bauteile. Das spiegelt sich am Markt wider, so bilden diese Verfahren ein Marktvolumen von etwas über einer Million Tonnen Jahresproduktion in Westeuropa, stetig steigend.
Die derzeit aktuellsten Verfahren setzen auf eine direkt hergestellte langfaserverstärkte Komponente und eine Endlosfaserverstärkung in Halbzeugform (E-LFT Verfahren). Die Verwendung eines Halbzeuges ist kostenintensiv und erfordert eine energieintensive Wiedererwärmung zur Weiterverarbeitung. Weiterhin definiert der Pressvorgang durch die vorherrschenden Fließvorgänge die Faserausrichtung innerhalb der langfaserverstärkten Komponente und damit wesentlich die mechanischen Eigenschaften. Durch die Einbringung von Endlosfasern in den Kraftfluss können die mechanischen Eigenschaften gezielt optimiert werden. Innerhalb des Projektes sollen diese EFT Einleger direkt im Ablegeprozess erzeugt werden, was somit den Weg über ein Halbzeug und dessen Wiedererwärmung einspart. Um das Bauteil noch besser auf die Belastungsbedingungen anzupassen, soll zudem die langfaserverstärkte Komponente möglichst definiert und endkonturnah abgelegt werden können.

Projektziele und Vorgehensweise
Der wesentliche Inhalt dieses Projekts ist die Entwicklung eines werkstofflich und energetisch effizienten Herstellungsverfahrens für optimierte FKV-Bauteile. Zur Umsetzung dieser Zielvorstellungen werden etablierte Technologien so kombiniert und weiterentwickelt, dass die gesamte Prozesskette in einen Aufheizzyklus integriert wird und somit der Zwischenschritt über das Halbzeug entfällt. Der zu entwickelnde Prozess EffiPressOr knüpft an den herkömmlichen Verfahren zur Verarbeitung von lang- und endlosfaserverstärkten Thermoplasten an und führt die Entwicklung weiter, hin zu der ausschließlichen Verwendung von Basismaterialien und Steuerung der Faserausrichtung. Dies bedeutet auch die endlosfaserverstärkten Komponenten direkt aus Glasfasern und Thermoplast herzustellen und beide Komponenten, EFT sowie LFT, gezielt abzulegen. Neben der Reduzierung der Material- und Energiekosten eröffnen sich durch diese Maßnahmen völlig neue Möglichkeiten für den effizienteren Einsatz des Werkstoffs und damit für leistungsfähigere oder bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit leichtere Bauteile.
So ermöglicht ein gezieltes, endkonturnahes Ablegen des LFT sowohl eine lokal definierte Faserorientierung und damit eine bessere Anpassung an die Belastung, als auch die Vermeidung von Produktionsabfällen und Nachbearbeitungen. Ein noch größeres Potential zur Steigerung der Leistungsfähigkeit eröffnet das direkte Ablegen der EFT-Komponente. Durch die Verwendung einzelner Stränge ist eine bessere, feinere Anpassung an die Belastung möglich als bei massiven Profilen.
Das Technologiekonzept der belastungsgerechten endkonturnahen Ablage des Faser/Matrix-Strangs bündelt die bisher vereinzelten Prozessschritte und ermöglicht somit einen breiten Einsatz von optimal an die Belastungen angepassten Strukturbauteilen. Zur ganzheitlichen Betrachtung müssen Kenntnisse über die vorherrschenden Temperaturverteilungen während der einzelnen Fertigungsteilprozesse durch rechnerische Modellbildung und Versuchsreihen erarbeitet werden.
Neben der Imprägnierungstechnologie sollen die Ablege- und Handhabungssysteme sowie die Werkzeug- und Pressprozesstechnologie weiterentwickelt werden. Des Weiteren sollen der Pressprozess und sein Einfluss auf die Bauteileigenschaften simuliert werden. Das Verfahren wird anhand einer Rücksitzlehne für den Automobilbereich als Domonstrator verifiziert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Ziel der Anstrengungen in der Entwicklung von EffiPressOr sind gegenüber den aktuellen Verfahren mindestens 20% Energieeinsparung und mindestens 10% Gewichtsreduktion. Ein weiteres Ergebnis ist die Substitution von Metallbauteilen durch die verbesserte Leistungsfähigkeit der herstellbaren FKV-Bauteile, was immense Gewichtseinsparungen mit sich bringt. Durch Gewichtsreduktion im Automobilbereich sind weitere Energieeinsparungen während der Betriebsdauer möglich, ein klassischer Leichtbauvorteil.
Durch die Entwicklung und den Einsatz dieses Herstellverfahrens können die Vorteile von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen weiter ausgebaut werden.
Durch die komplette Abdeckung der Herstellungsprozesskette innerhalb des Projektkonsortiums von der Materialverarbeitung/Materialaufbereitung bis hin zum Endprodukt ist eine schnelle Realisierung und Marktdurchdringung nach Projektende zu erwarten.
Das EffiPressOr-Verfahren kann einen Beitrag zur Stärkung des Produktionsstandorts Deutschland leisten und hilft die Technologieführerschaft im Bereich des Leichtbaus vor allem in der Automobilindustrie auszubauen. Weiterhin bietet dieses Verfahren ein großes Einsatzpotenzial auch in anderen Branchen (z.B. Luftfahrt, Transportwesen) und kann auch dort durch die oben genannten Vorteile schnell adaptiert werden.
Das geplante Vorhaben kann dazu beitragen, vorhandene Defizite abzubauen und die Wettbewerbsfähigkeit in dieser sehr technologiegetriebenen Branche zu steigern, um so nicht nur die vorhandenen Arbeitsplätze zu erhalten, sondern vielmehr neue Arbeitsplätze zu schaffen.

• Christian Karl Siebenwurst GmbH & Co KG Modellbau & Formenbau
• Extruder Experts GmbH & Co. KG
• Gubesch Thermoforming GmbH
• Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
• KUKA Systems GmbH
• Reis Robotics GmbH & Co. KG
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