3D-Faserspritzen. 3D-Faserspritzen von thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffen. INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFVERARBEITUNG

Transkript

1 INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN INDUSTRIE UND HANDWERK AN DER RWTH AACHEN 3D-Faserspritzen 3D-Faserspritzen von thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffen. INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN INDUSTRIE UND HANDWERK AN DER RWTH AACHEN Ein Prozess für FVK in Großserie

2 Das Projekt Die Herausforderung Ressourcenschonung und Energieeffizienz sind Schlagworte, die gerade beim Thema Leichtbau oft diskutiert werden. Senkt man z. B. die Fahrzeugmasse eines PKW um 100 Kilogramm, nimmt der Kraftstoffverbrauch je nach Fahrzyklus, Messmethode oder Quelle um etwa 0,1 bis 0,6 Liter je 100 Kilometer Fahrstrecke ab. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten in diesem Zusammenhang eine Vielzahl von Vorteilen. Dazu gehören u. a. exzellente Leichtbaueigenschaften durch die sehr hohen gewichtsspezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten und das sehr gute Dämpfungsverhalten. Darüber hinaus tragen FVK durch Reduzierung der Masse im Flugzeug- oder Fahrzeugbau dazu bei, wertvolle Ressourcen einzusparen und somit gesetzliche Auflagen zur Reduzierung des CO 2 -Ausstoßes zu erfüllen. Den größtmöglichen Effekt erzielt man, wenn FVK nicht in exklusiven Kleinserien, sondern in Großserien-Fahrzeugen eingesetzt werden. Die zentrale Herausforderung zur Kostenreduzierung und somit zum flächendeckenden Einsatz dieser Werkstoffkombination, stellt die Automatisierung von Fertigungsprozessen und die Reduzierung der Prozessschritte dar. Der Ansatz Thermoplastisch faserverstärkte Kunststoffe (TP-FVK) bieten gegenüber duroplastischen Werkstoffen den Vorteil, dass Sie werkstofflich wiederverwendbar sind. Weitere Vorteile sind kurze Zykluszeiten bei der Verarbeitung, unbegrenzte Lagerfähigkeit und einfaches Fügen durch Schweißen oder Umspritzen. Roving 3D-Preform Bauteil (Druckbehälter) Die Herstellung von Bauteilen aus TP-FVK wird i.d.r. durch die Umformung vorimprägnierter ebener Halbzeuge (s. g. Organobleche) realisiert. Die Organobleche werden über ihre Schmelzetemperatur erwärmt und anschließend umgeformt. Der Umformgrad ist aber durch die Grenzen der Drapierbarkeit der Verstärkungshalbzeuge (meist Gewebe) beschränkt. Außerdem ist die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Faserorientierungen aus Organoblechen relativ aufwendig und teils mit hohem Verschnitt verbunden. Aus diesem Grund wird, zusammen mit Partnern aus Industrie und Forschung, in dem Projekt Integrative Prozesskette zur ressourcenschonenden Serienfertigung von TP-FVK-Leichtbauteilen (InProLight) eine alternative, wirtschaftliche Fertigung von TP-FVK-Bauteilen entwickelt.

3 Das Projekt/Vorteile Die IKV-Lösung Ein Lösungsansatz ist die direkte Herstellung dreidimensionaler endkonturnaher Preforms im 3D-Faserspritzprozess. Dabei können Faserorientierung, Faserlänge und Dicke lokal eingestellt werden. Die Ausgangsmaterialien liegen vorwiegend als Hybridgarn einem endlosen Roving aus Verstärkungs- und Matrixfasern vor und werden in ein Schneidwerk eingezogen. Der Roving wird hier auf eine definierte Faserlänge geschnitten, im Luftstrom der Faserleiteinheit ausgerichtet und auf eine endkonturnahe, luftdurchlässige Ablageform gespritzt. Ein Vakuum fixiert die Fasern in ihrer Position. Eine kurze Erwärmung durch Heißluft lässt die Matrixfasern anschmelzen. Dadurch entsteht ein handhabbarer Preform. Die Führung der Ablageform durch einen 6-Achs-Roboter ermöglicht die flexible Fertigung dreidimensionaler Preforms. Die Konsolidierung erfolgt in einem Pressprozess mit einem variotherm beheizten Werkzeug. Eine Umformung im Werkzeug findet nicht statt, weshalb die eingestellte Faserorientierung bestehen bleibt. Leichtbauteile aus TP-FVK lassen sich also in zwei Prozessschritten herstellen: 3D-Preforming und Bauteilkonsolidierung. Halbzeugherstellung, Zuschnitt und Drapierung von Geweben/Gelegen entfallen. 3D-Faserspritzen Vorteile auf einen Blick Vermeidung teurer Textilherstellungsprozesse Reduzierung des Verschnitts um bis zu 30 Prozent Vollautomatisierbare Herstellung von 3D-Preforms Lokal einstellbare Eigenschaft für optimalen Leichtbau Sehr gute mechanische Eigenschaften auf Niveau von Endlosfasern Unterschiedliche Fasern in einem Preform möglich Vorteil 3D-Faserspritzen Roving Halbzeug Zuschnitt Drapierung Werkzeug Bauteil Drei Prozessschritte entfallen

4 Projektpartner Verfahrensentwicklung/ Gesamtprojekt: INSTITUT FÜR KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN INDUSTRIE UND HANDWERK AN DER RWTH AACHEN Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen ist mit mehr als 300 Mitarbeitern europaweit das größte Forschungs- und Ausbildungsinstitut auf dem Gebiet der Kunststofftechnik. Zentrale Forschungsaktivitäten sind die Verarbeitung, Werkstofftechnik und Bauteilauslegung von Kunststoffen und Kautschuken. Das IKV ist in Industrie und Forschung eng vernetzt. Vier Fachabteilungen, darunter eine für Faserverstärkte Kunststoffe gehören zum Institut. Die Projekte und Projektpartner im Bereich FVK profitieren von einer außergewöhnlich langen Tradition und einem riesigen Erfahrungsschatz. Bereits Ende der 1980iger Jahre wurde am IKV ein so genanntes, von der Bundesregierung gefördertes Demonstrationszentrum FVK eingerichtet. Heute trägt eine Fördervereinigung mit mehr als 230 internationalen und nationalen Unternehmen und Institutionen aus der K-Branche das IKV. Leiter des Instituts und Inhaber des Lehrstuhls Kunststoffverarbeitung der RWTH Aachen ist Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann.

5 Projektpartner Robotik: Reis GmbH & Co. KG Maschinenfabrik Als eines der erfolgreichsten und technologisch führenden Unternehmen der Robotertechnik und Systemintegration sowie Entwickler und Hersteller von Industrierobotern und Robotersteuerungen hat REIS ROBOTICS einen 6-Achs Industrieroboter RV20-16 mit ROBOTstarV- Steuerung bei diesem Projekt eingesetzt und darüber hinaus weitere Aufgaben übernommen. Dazu gehören z. B. die Erstellung einer CAD/CAM-Schnittstelle in enger Kooperation mit dem IKV und ihre Integration in die Robotersteuerung. Dabei wurden die Anforderung an die Bahngenerierung, ein Konzept zur Programmierung, die Eingaben der Bahngeometrie und Prozessparameter im CAD/CAM-System sowie deren Übertragung an die Robotersteuerung definiert. Zudem übernahm REIS ROBOTICS die Definition der Feldbusschnittstelle zur Prozesssteuerung von Schneidwerk und Faserleiteinheit durch den Roboter und die Abstimmung der Prozesssteuerung auf den Prozess. Schneidwerk: Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG Schmidt & Heinzmann ist Marktführer bei der Produktion von Maschinen und Anlagen zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen und bereits seit März 2010 nach ISO 9001:2008 zertifiziert. Der Exportanteil liegt zwischen 60 und 70 Prozent. Zum Kundenkreis zählen Unternehmen der Chemie- und Kunststoffindustrie sowie namhafte Zulieferer der Automobil- und Baustoffindustrie. Das Unternehmen konzipiert, konstruiert und fertigt neben klassischen Produkten für die Composites-Branche Lösungen für Sondermaschinen aller Art. Das in diesem Projekt eingesetzte und bewährte FiDoCut-System ist aufgrund seiner Dimensionen und Abmessungen bislang für den ortsfesten Einsatz konstruiert. Im Rahmen des Forschungsprojekts InProLight wird die bisherige Konstruktion auf die gewünschten Funktionen angepasst und ermöglicht dann den Einsatz des Schneidsystems auf einem Roboter.

6 Kontakt/weitere Infos Die Projektpartner freuen sich auf Ihr Feedback. Sicherlich meistern wir gemeinsam mit Ihnen auch weitere Herausforderungen im Großserieneinsatz von FVK. Wir freuen uns darauf. Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen Leiter Abteilung FVK Dipl.-Ing. Kai Fischer Pontstr. 49, Aachen Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Reis GmbH & Co. KG Maschinenfabrik REIS ROBOTICS Reis GmbH & Co. KG Maschinenfabrik Fachbereichsleiter Handhabungssysteme Dipl.-Ing. Uwe Müthrath Walter-Reis-Str. 1, Obernburg Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG Maschinen und Anlagen Geschäftsführer Rainer Landwehr Vichystraße 12, Bruchsal Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Projektrahmen Das hier vorgestellte 3D-Faserspritzen wird im Rahmen des Projekts InProLight weiterentwickelt. Ziel ist die automatisierte Herstellung von Leichtbauteilen aus langfaserverstärkten Kunststoffen. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Weitere Informationen: