Voith Materials. Anforderungen an eine Faserverbund- Produktionstechnik. Dr.-Ing. Lars Herbeck. Braunschweig, Präsentation, xx

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1 Anforderungen an eine Faserverbund- Produktionstechnik Dr.-Ing. Lars Herbeck Braunschweig, Präsentation, xx

2 Welche Fragen will ich in meinem Vortrag diskutieren 1. Wie sieht der Maschinenbauer Voith die Faserverbundwerkstoffe 2. Welche Entwicklung können wir erkennen? 3. Wie kommen wir von einer Manufaktur zu einer Produktion? 4. Welches sind wichtige Einflussgrößen in der Produktion? 5. Was sind die Herausforderungen für die Zukunft? 2

3 Relative Bedeutung verschiedener Werkstoffe für die Menschheit Production 2007 in Mio. T Steel ~1.300 Polymers ~200 Composites ~8 Quelle: Åström: Manufacturing of Polymer Composites, Chapman & Hall, London

4 Automobilbau: Werkstoffeinsatz in der BMW 7er Reihe Prozentuale Verteilung Metalle ~69% Kunststoffe 19% Keramik Glas, ~ 3% Verbunde, Textilien ~ 2% Quelle: Rudolf Stauber, BMW 4

5 Starkes Wachstum von Composites in vielen neuen Anwendungen C-Fasernachfrage in Tonnen Industrie 1 80 heute Luftfahrt / Verteidigung Marktvolumen CFK-Strukturen Sport / Freizeit 60 Industrie: 5 Mrd. Golf shafts 1% Carbonfaseranteil Luftfahrt / Verteidigung: Tennis 3 Mrd. rackets 50 Sport im / Freizeit: KFZ 2 Mrd. 40 Offshore 30 Zug Front-end 6 20 Faktor 250 CAGR +11,2% CNG Tank Walzen CAGR +11,7% 10 C-Fasern C-Faser Nachfrage Automobil PC chassis Automobil 2009 Golfschläger bei großem A380 CFK- Tennisschläger Einsatz im KFZ A inkl. Infrastruktur, Wind, Automobil und Offshore 2 Annahmen für Marktabschätzung: Faserpreis Industrie: 30 /kg, Luftfahrt: 50 /kg, Sport 35 /kg; Kostenanteil Fasern: 14% Quellen: Toray, Marktbericht The Carbon Fiber Industry 5

6 Motive zum Einsatz von Faserverbundwerkstoffen im Maschinenbau Reduzierung der Bauteilmasse und der Massenträgheit Einstellbare Steifigkeit und damit verbesserte Dämpfungseigenschaften Verbesserte mechanische Eigenschaften Dauerfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit Geringe oder angepasste Wärmedehnung Hohe Gestaltungsfreiheit und Möglichkeit der Funktionsintegration Ziele Effizienz- und Performancesteigerung von Maschinen und Anlagen durch den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen (Energieeinsparung, Kostenreduktion, Eigenschaftsverbesserung) 6

7 Herausforderungen Faserverbundwerkstoffe Die größten Hemmschuhe zum Durchbruch von CFK im Maschinenbau bilden derzeit - Materialkosten - Prozesskosten - sowie zu hohe Produktionszeiten Bereitstellung von automatisierten Produktionstechniken, um Faserverbundbauteile auch in großen Stückzahlen zu akzeptablen Preisen fertigen zu können Recycling 7

8 Voith ist bereits heute in bestimmten Nischen mit Faserverbundwerkstoffen aktiv VP Rolls VP doctor blades VT-AIR VT-Schaku VS VI Composite Walzen und Beläge für Papiermaschinen Doctor blades aus Carbon und Aramid Composites CFK Composites Propeller Schiffsantriebe Zug Front-end aus Glasfaser Composites Wellen und Turbinen Rotorblätter für Ocean Energy Engineering Services CeBeNetwork Hörmann 8

9 Anwendungsbeispiel CFK-Walzen CFK-Walzen für Papiermaschinen, ~90 CFK-Walzen in modernen Papiermaschinen Walzenbreite: bis 16m Durchmesser: ~2,5m 9

10 Anwendungsbeispiel CFK-Walzen Vorteile der CFK-Walzen: Geringere Vibrationen Reduziertes Walzengewicht Geringer oder kein Schlupf zwischen Papier und Oberfläche Verbessertes Handling und erhöhte Bahngeschwindigkeit Reduktion von Lagerbelastungen & Stuhlungen Kompetenzen Vorhandenes Werk (seit 2007) mit modernster Fertigungsanlage für Kohlefaserwalzen im Bereich Papiermaschinen Ca. 100 t C-Faser verarbeitet p.a. Systemlieferant mit 100%iger Produktionstiefe Entwicklungs-Know-how Etablierter Prozess und etablierte Zulieferkette Eigenes komplexes Berechnungsprogramm 10

11 Faserverbund - Fertigungstechnologien Pultrusion Wickeltechnik / FP Automatischer Tape Leger / FP Faserpressen Sinkende Design Freiheit Manuelles Laminieren Prepreg, Infusion RTM Steigender Automatisierungsgrad 11

12 Was darf Leichtbau kosten Tolerierbare Mehrkosten für eine Gewichtsminderung um 1kg (Größenordnungen) Mehrkosten Stückzahl / / kg Jahr Raumfahrt Großraumflugzeug Automobil

13 Herausforderung Faserverbund-Produktionstechnologie Heute Zukunft Bildquelle: DLR-FA Bildquelle: CTC GmbH Stückzahlen steigen von Bauteile/Jahr auf > Bauteile/Jahr und Anlage Prozesskosten sinken sehr stark um 90% pro verarbeiteten Kg Materialkosten sinken um 50% pro verarbeiteten Kg 13

14 Beispiele für Faserverbund-Ansätze im Automobilbau Hybride Seitenrahmenverstärkung: BMW Hydrogen 7, Dachspriegel: BMW M6 Hybride B-Säule (CFK-Stahl): Benteler-SGL Dach: BMW M6, M3 Monocoque, MonoCell : VW-1Liter-Auto, McLaren s MP4-12C... Hybride B-Säule (CFK-Stahl): Quelle: Benteler-SGL CFK-verstärkter Seitenrahmen, Quelle: BMW McLaren s MP4-12C, MonoCell, Quelle: McLaren 14

15 Spezifikation eines geeigneten Automotive-Zielprozesses Automatisierte RTM-Technologie Rohmaterial M1: Preforming Fertigung des RTM-Rohteils M2: Konsolidierung M3: Entformung Innovationsbereich Schneiden der textilen Halbzeugen Umformen, Drappieren, Beschneiden, Fixieren Transfer Preform Harzmischen, Anschlüsse, RTM- Injektion Innovationsbereich Aushärtung, Abkühlen Transfer Rohteil Transfer Form Entformen des Rohteils, Reinigen d. Form Inspektion (NDI), Freigabe Rohteil, Freigabe Form B1: Mech. Bearbeitung Bohren, Fräsen, Sägen, Schleifen, ; ggf. Kleben, Bolzen, Fügen, Finish und Freigabe B2: Oberflächenbearbeitung Beschichten, Lackieren, Q1: Test und Freigabe Qualitätssicherung, zerstörungsfreie Inspektionen/Tests, Freigabe Produkt Technische Weiterentwicklung Bauteil 16

16 Produktionskostenentwicklung ( /kg) bei größeren Produktionsmengen (generisches Beispiel) Menge: Gewicht: 10 k 9kg 60 /kg 100 k 9kg 37% Sonstiges (inkl. F&E, Overhead, Gebäude, Maschinen) Personal 45% 18% 20 /kg 28% 21% 52% Material 10 k 100 k Annahmen Material: C-Faser: 17,00 /kg Harz: Glasfaser: 2,50 /kg 6,70 /kg 17

17 Produktionskostenentwicklung ( /kg) bei größer werdenden Bauteilen (generisches Beispiel) Gewicht: 2kg 9kg 40 /kg 34% 36% 20 /kg 28% 21% Sonstiges (inkl. F&E, Overhead, Gebäude, Maschinen) Personal Material 30% 52% 100 k 100 k Annahmen Material: C-Faser: 17,00 /kg Harz: 6,70 /kg Glasfaser: 2,50 /kg 18

18 Zusammenfassung: Herausforderungen Faserverbund-Produktionstechnik Schlanke Produktion Materialflussoptimierte Prozesse minimierte Lagerhaltung keine Abfälle Takt gesteuerte Produktion Teile/Jahr Taktrate = 3,5 Minuten Kurze Wertschöpfungsketten Vermeiden von Zwischenhalbzeugen (vom Roving direkt ins Bauteil) Faserverbundgerechte Bauweisen Hoch integrierte Baugruppen z. B. Monocoque 20

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