Composite-Fertigung: Erfolgsfaktor Netzwerk

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1 CFK-Sitzschale: Composite-Fertigung von Innen- und Außenteilen macht Fahr- und Flugzeuge leichter und damit ressourceneffizienter. Foto: Geiss Composite-Fertigung: Erfolgsfaktor Netzwerk Die Verarbeitung von Faserverbundbauteilen (Composites) klappt nur im Parallelschwung von Anlagenherstellern und Anwendern: Das beweisen die Netzwerke entlang der Wertschöpfungskette, an denen sich Maschinenbauer beteiligen. jj Es bahnt sich eine Erfolgsstory an: Die Chancen sind nämlich laut einer VDMA-Studie gut, dass die Produktion von hochfesten Bauteilen aus Carbonfaserverbund-Kunststoffen (CFK) bis 2020 jährlich im Schnitt um satte 17 Prozent wächst. Dazu müssen allerdings die Prozess- und Verfahrenskosten um 40 Prozent sinken. Ein Schlüssel zum Erfolg sind Kooperationen, die den beteiligten Maschinenbau und die Anwender vernetzen. Paradebeispiele dafür finden sich aktuell vor allem bei Projekten für die Automobilindustrie. Beispiel BMW-i3-64

2 forschung & innovation Foto: KSL Fertigung: Die hydraulischen Pressen von der Schuler AG aus Göppingen arbeiten nach dem Prinzip des Resin Transfer Moulding (RTM), einem Verfahren zum Herstellen von Formteilen aus faserverstärkten Kunststoffen. Das Gemisch aus Harz und Härter wird unter hohem Druck (bis zu 100 bar) in das geschlossene Werkzeug eingespritzt, umschließt die eingelegten Carbonfasermatten und härtet dann aus. Markus Geier, Schuler- Vertriebsingenieur für Faserverbundkunststoffe, bemerkt dazu: Eine Herausforderung hierbei war es, dass die Werkzeuge nicht nur bei einem Produkt- Clevere Nähtechnologie: Der Verzicht auf Titan-Nieten verringert bei einer CFK-Flugzeugtür das Gewicht gegenüber den Kohlefaser-Vorgängern. Fotos: Franck Boston/Fotolia wechsel getauscht, sondern dass sie auch im Prozess aus der Presse gefahren werden müssen. Automatisierte RTM-Serienproduktion Die Frimo Group GmbH aus Lotte (bei Osnabrück) stellt RTM-Werkzeuge für Strukturbauteile her, die sie an spezielle Kundenanforderungen anpasst. Die vollautomatische Kopplung der Medien (Heizkreisläufe, Vakuum, Hydraulik und Elektrik) mit einer Vielzahl von Sensoren zwischen Presse und Werkzeug erforderte eine enge Zusammenarbeit von Frimo und Schuler. Die Lösung kam laut Schuler gut bei BMW an. So wurde erstmals ein Produktionsprozess verwirklicht, der die automatisierte Serienproduktion von RTM- Bauteilen ermöglicht. Geier: Der Kunde war von Anfang an eng in dem Entstehungsprozess der RTM-Presse eingebunden und erhielt somit eine Anlage, die individuell auf seine besonderen Anforderungen angepasst wurde. Als besondere Herausforderung nennt er das enge Zeitfenster für die Projektrealisierung bis zum Serienanlauf des völlig neuen Fahrzeugkonzeptes. Schuler schaffte den engen Termin dank professionellen Projektmanagements und einer detailliert abgestimmten Terminplanung. Das ist ein wichtiger Faktor vor allem bei Projekten der Composite-Verarbeitung, bei der oft Neuland betreten wird. Zu den Composite-Pionieren unter den Automobilzulieferern gehört die ZF Friedrichshafen AG, die ihre Kompetenzen in der Produkt- und Werkstoffentwicklung auf dem Gebiet Schritt für Schritt aufgebaut hat. Dr. Michael Heselhaus, Leiter der Produktionstechnologie Entwicklung: Mit dem ZF Composites Tech Center in Schweinfurt steigen wir jetzt gezielt in das Thema Produktionsvorentwicklung ein. Alles in allem beschäftigen sich bei ZF mittlerweile rund 40 Mitarbeiter mit Composites. Start mit Composite-Bremspedal Das erste Serienprodukt aus Faserverbundwerkstoff (für Experten: Endlosglasfaser-verstärktes Polyamid) ist ein PKW- Bremspedal für einen Sportwagen. Heselhaus: Wir entschieden uns bei dem Pedal für Organobleche, ein Fasergewebe, das in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet ist. Ein Infrarotofen erhitzt die Organobleche, die in einer spezifisch angepassten Spritzgießmaschine mit einem Werkzeug zum Pedal geformt werden. Die Taktzeiten beim Verarbeiten von thermoplastischem Material liegen zum Beispiel bei Polyamid im Sekundenbereich, erklärt Dr. Lobo Casanova, Leiter des ZF Composites Tech Center. Das Verfahren reicht vom Aufheizen, j 65

3 Die Werkzeuge müssen auch im Prozess aus der Presse gefahren werden. Foto: Schuler Markus Geier Schuler Einlegen in das Werkzeug bis zum Umformen und Hinterspritzen. Der Vorteil dieses sogenannten One-Shot-Verfahrens ist, dass die Bauteile nicht mehr bearbeitet werden müssen. Auswahl per Datenbank ZF hat seine Erfahrungen und Ergebnisse mit verschiedenen Technologien und Werkstoffen in einer Verfahrens-Datenbank gespeichert, die die Entwickler nun bei der Auswahl des richtigen Verfahrens für ein neues Bauteil unterstützt. Lobo Casanova: Wir haben eine Methodik erarbeitet, mit der wir aus den vielfältigen Herstellverfahren für Faserverbundwerkstoffe die wenigen infrage kommenden Technologien auswählen und anpassen können. Gemeinsame Produktionstechnologien Doch wie sieht ZF die Zukunft der Composites? Ich sehe sehr gute Chancen für diese Werkstoffgruppe im Automobil, konstatiert der leitende Produktionstechnologe. Wir dürfen in Sachen Produktionstechnik jedoch nicht auf dem jetzigen Stand stehen bleiben. Um effizienter zu werden, entstand das ZF Composites Tech Center. Hier wird eigenes Know-how aufgebaut und an den Prozessen gearbeitet. Aus dem Textilmaschinenbau stammt hingegen die Autefa Solutions Germany GmbH aus Friedberg, die Automatisierungslösungen für die Pro duk tion und das Recycling von Composites entwickelt hat. Geschäftsführer Dr. Stefan Schlichter begeistert sich: Mich fasziniert das Thema seit meiner Studienzeit, aus der meine frühen Netzwerkkontakte herrühren. Die ersten Aufträge verdanken wir auch der konsequenten Fortführung dieser Querverbindungen. In Teamarbeit zur Recycling-Anlage Als wichtige Ansätze zum Vernetzen sieht er außer Hochschulinstituten Verbände wie den VDMA an, bei denen sich Gruppierungen unterschiedlicher Unternehmen rund um das Thema Composites organisieren. Schlichter erläutert: Auf Basis bestehender Maschinenkonzepte entstand ein komplettes Recyclingkonzept für Fabrikationsabfälle aus der Herstellung von Carbon-Composites für die Automobilindustrie, das sich generell auch für andere Materialien mit Faseranteil eignet. Foto: Autefa Foto: Schuler Auf dem Weg zur automatisierten Serienproduktion in der Automobilindustrie sind grundlegende Maschinenbauentwicklungen erforderlich. 66

4 forschung & innovation Foto: Autefa Außer der Netzwerkarbeit sei Knowhow und Kompetenz bei Automatisierungslösungen gefragt, um die Composite-Verarbeitung vom handwerklichen Verfahren hin zur Industriereife weiterzuentwickeln. Es geht also um Prozesse und Verfahren, mit denen ein Betrieb im Minutentakt Composite-Teile herstellen kann. Das zentrale Thema ist das Automatisieren der Prozesse, beobachtet der Geschäftsführer. Dabei haben jedoch übliche Automatisierungsanbieter ohne Textilerfahrung immer wieder Probleme mit der Beherrschung typischer textiler Eigenschaften wie fehlende Formstabilität oder Drapierfähigkeit. Außerdem besitzen die Friedberger Know-how aus einem vorgelagerten Produktionsbereich: Die Rede ist vom sogenannten Pre-Cursor, einem Band aus Acryl, für das Autefa Solutions spezielle Ablege-Einheiten herstellt. Das Acrylband wird danach in der Carbonisierungs-Anlage zu hauchdünnen Kohlenstoff-Fasern weiterverarbeitet, die Die ersten Aufträge verdanken wir der Fortführung von Querverbindungen. Stefan Schlichter Autefa Solutions Germany etwa ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares besitzen. Aus der Textilbranche stammt auch die KSL Keilmann Sondermaschinenbau GmbH aus Lorsch. Ihre speziellen Nähmaschinen arbeiten zum Beispiel in einer gigantischen Werkshalle in Stade: Mit schnellen, präzisen Stichen verarbeitet eine Blindstichnähmaschine einzelne Bahnen aus Carbonfaserkunststoff (CFK) vollautomatisch zu einem großen Gelege, aus dem das Druckschott für den Airbus A380 entsteht. Auch im Boeing 787 Dreamliner steckt Nähtechnologie aus Lorsch: Ein Roboter bringt im Tragwerkslenker per Tufting CFK-Fäden zur Verstärkung ein. Der Begriff Tufting stammt aus dem Englischen und heißt sinngemäß mit Büscheln verzieren. In der Textilbranche ist es eine Technik zum Herstellen dreidimensionaler textiler Flächen. Aber nicht alles hebt ab, was auf unseren Anlagen entsteht, sagt Geschäftsführer Robert Keilmann. j info Partnertagung Composites Germany: Aachen, 20. Mai 2014 Im Juli 2013 hat das VDMA-Forum Composite Technology gemeinsam mit den Organisationen AVK Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V., Carbon Composites e. V. und CFK Valley Stade e. V. die Wirtschaftsvereinigung Composites Germany gegründet. Die vier Partner führen am 20. Mai 2014 in Aachen ihre erste gemeinsame Composites-Germany-Veranstaltung Thermoplastische Faserverbundfertigung durch. Die für VDMA-Mitglieder offene Vortrags- und Netzwerkveranstaltung bietet den Teilnehmern außerdem B2B-Gesprächstermine und Besichtigungen der Composite-Technika von fünf Instituten, die am Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) beteiligt sind. links composites.vdma.org Foto: ZF Foto: ZF Ein 2013 eröffnetes Composites Tech Center dient zur konzernweiten Produktionsvorentwicklung für Produkte aus Faserverbundwerkstoffen. 67

5 Clevere Nähtechnologie ermöglichte es, bei einer CFK-Flugzeugtür (im Bild die Vorform) auf Titan-Nieten zu verzichten und das Gewicht gegenüber... Nicht alles hebt ab, was auf unseren Anlagen entsteht. Robert Keilmann KSL Keilmann Sondermaschinenbau Foto: KSL Ähnliche Verfahren setzt auch der Automobilbau ein. Ein Beispiel sind die Crashelemente des Mercedes-Benz SLR, deren Wirkung auch mit CFK-Fäden verbessert wurde. Bei flächigen Anwendungen verbinden computergesteuerte Nähanlagen beispielsweise CFK-Materiallagen miteinander. Bauteile mit komplexen dreidimensionalen Geometrien benötigen hingegen 3D-Nähverfahren. Dazu stattet das Lorscher Unternehmen 3D-Roboteranlagen mit Köpfen und Steuerungen für spezielle Anwendungen aus (zum Beispiel: Tufting, Blindstich- oder Zweinadel-Nähte). Prozesslösungen für das Thermoformen und Bearbeiten von Kunststoffen entwickelt die Geiss AG aus dem fränkischen Sesslach. Es kam zu einer Nachfrage nach immer stärkeren Vakuumformmaschinen, um Platten aus sehr zähen Werkstoffen wie etwa tiefgezogenem Polycarbonat in der Anlage halten zu können, blickt Vertriebs- und IT-Manager Klaus-Peter Welsch zurück. Anforderungen zur Herstellung von komplexen sogenannten TwinSheet-Teilen führten zum Bau von Maschinen mit einer Schließkraft von derzeit bis zu 200 Tonnen. Diese Entwicklung kommt Geiss jetzt bei dem Pressen von Faserverbundwerkstoffen (Composites) zugute, die sich werkstoffbedingt nicht tiefziehen lassen. Die Rede ist von einer kleinen Thermoformpresse, die nicht, wie sonst üblich, außerhalb, sondern im Pressraum beheizt wird. Das wirkt sich positiv auf den Werkstoff aus, der beim sonst erforderlichen Einschieben in die Presse schnell abkühlt. Bei der fränkischen Variante ist das Bauteil dagegen wesentlich wärmer und lässt sich daher mit deutlich niedrigeren Presskräften als sonst beim echten Pressen formen. Wie lassen sich Composites schneiden? Der nächste Bearbeitungsschritt betrifft das Schneiden. Prinzipiell gibt es vier Foto: Kuka Roboter Bohren und Fräsen sind Aufgabenbereiche, die... 68

6 forschung & innovation Fotos: KSL Keilmann Sondermaschinenbau... den Vorgängern um 15 Prozent zu verringern. Trennverfahren: Schneiden mit Kaltmesser oder Ultraschallschneidmesser, Fräsen, Laser- oder Wasserstrahlschneiden. Geiss führte mit der Siemens AG aus Erlangen eine Gegenüberstellung der Verfahren durch und entwickelte parallel im Zuge dieser Analyse mit einem Werkzeugspezialisten aus der Nachbarschaft neue Fräswerkzeuge. Aktuell untersucht Geiss mit Siemens, wie sich Carbonfaserkunststoffe (CFK) pressen und anschließend schneiden lassen. Wir nehmen unter die Lupe, wie sich das Pressen auf die Faser auswirkt, erklärt der Verkaufsleiter. Es geht uns darum, die idealen Prozessparameter zu ermitteln. Er ist sich aufgrund der jahrzehntelangen Zusammenarbeit mit der Kunststoff- und Materialbranche sicher, dass dieser Weg zum Erfolg führt. Als treibenden Faktor in Sachen CFK sieht der Experte aktuell die Automobilindustrie und die klassischen Anwender aus dem Flugzeugbau an, doch auch andere Branchen würden mitmischen. Ein Beispiel nennt Welsch: Ein Sportartikelhersteller hat eine CFK-Einlegsohle für seine Sportschuhe entwickelt, die flexibel und zugleich steif ist. Automatisierung der Produktion Bereits seit Jahrzehnten beschäftigt sich die Kuka Aktiengesellschaft aus Augsburg mit Automatisierungslösungen für die Verarbeitung von Composite- Bau teilen. Für den neuen Standort des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie (ZLP) in Augsburg entstand beispielsweise eine roboterbasierte multifunktionale Automationszelle. Auf dieser Basis haben Kuka und DLR neue automatisierte Produktionsmethoden auf der Basis flexibler, kooperierender Robotersysteme und mechatronischer Handhabungssysteme entwickelt. Ziel ist die wirtschaftliche Fertigung von Flugzeugstrukturen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Außer um Produktion geht es langfristig auch um neue Lösungen für zerstörungsfreie Prüfung. Einfache Integration von Robotern Auch wenn die Automatisierungsprozesse in der Composite-Fertigung immer komplexer werden, kann die Bedienung laut Rüdiger Sonntag, Key Technology Manager Kunststoff, einfach gestaltet sein. Dies zeigt die Kuka Roboter GmbH durch ihre Kooperation mit der Siemens AG aus Erlangen. Softwareentwicklungen ermöglichen vereinfachte Bedienungen für viele Umfelder. Mit Schnittstellen-Tools lassen sich Kuka-Roboter in einfacher Weise in bestehende Anlagen oder Maschinen für Automatisierungszwecke integrieren. Wenige Roboterkenntnisse reichen aus, um komplexe Anlagen zu programmieren und zu bedienen. Die Tools verarbeiten selbst komplexeste Programme aus CAD/CAM- Systemen und bieten durch CNC- j Foto: DLR & Kuka Systems Foto: Geiss... der Industrieroboter in der Leichtbaubranche problemlos übernehmen kann. 69

7 Bahnplanung höchste Genauigkeit für eine besonders einfache Integration von Robotern in eine bestehende CNC-Welt. Kuka und Siemens haben die Möglichkeit geschaffen, dass die Roboter in der gleichen Systematik angezeigt, bedient und bearbeitet werden können, wie es Anwender von ihrer Maschine gewohnt sind. Die Softwareentwicklungen liefern Antworten auf die seit Jahren ansteigenden Absatzzahlen von Industrierobotern und überwinden den Mangel an Roboterspezialisten. Rüdiger Sonntag kom- Foto: Geiss mentiert: Dank der neuen Automation lassen sich unsere Roboter wie sonstige Peripherie einfach und ohne große Roboterkenntnisse integrieren. W Bei Composites (hier eine per Laser und Roboter zugeschnittene Sitzschale aus Carbonfaserkunststoff) nimmt die automatisierte Bearbeitung zu. autor Nikolaus Fecht Freier Journalist, Gelsenkirchen kontakt Dr. Walter Begemann VDMA-Forum Composite Technology Telefon walter.begemann@vdma.org profile Autefa Solutions Germany GmbH, Friedberg Der Systemlieferant, eine Tochter des größten chinesischen und weltweiten Textilmaschinenherstellers, verwirklicht komplexe Industrieanlagen und Automatisierungslösungen für namhafte Konzerne und Unternehmen der Chemie-, Konsumgüter- und Textilbranche. Umsatz: 65 Millionen Euro, Mitarbeiter: 300 Frimo Group GmbH, Lotte Die Unternehmensgruppe liefert Maschinen, Anlagen, Werkzeuge, Verfahrens-Know-how und Dienstleistungen für die kunststoffverarbeitende Indus trie (beispielsweise aus der Automobil- und Zuliefererindustrie, der Luftfahrtbranche, Haus- und Sportgerätesowie Bahnindustrie) und an zahlreiche Insti tute und Universitäten. Umsatz 2012: mehr als 160 Millionen Euro, Mitarbeiter: Geiss AG, Sesslach Das Unternehmen bietet Lösungen für die Kunststoffverarbeitung mittels Thermoformen auch mit höheren Schließkräften für die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen, CNC-Nachbearbeitungszentren (Fräsen, Ultrasonic- und Laserschneiden), Horizontalbandsägen sowie Formen- und Werkzeugbau weltweit aus einer Hand. Umsatz: über 30 Millionen Euro, Mitarbeiter: 135 KSL Keilmann Sondermaschinenbau GmbH, Lorsch Die vor 50 Jahren gegründete Firma, ein Unternehmen der chinesischen Shang- Gong-Gruppe aus Shanghai, stellt Nähsysteme und Automatisierungstechniken zur Verarbeitung technischer Textilien her. Auf KSL-Anlagen entstehen weltweit Airbags, textile Filtertechnik, Heimtextilien, Fashion, Sicherheitstechnik und Composites. Umsatz: 19 Millionen Euro, Mitarbeiter: 112 Kuka Roboter GmbH, Augsburg Das Unternehmen gehört zur Kuka Aktiengesellschaft und gilt als einer der weltweit führenden Anbieter von Industrierobotern. Die Kernkompetenzen liegen in der Entwicklung und Produktion sowie im Vertrieb von Industrierobotern, Steuerungen und Software. Kuka Roboter ist mit 25 Niederlassungen in den wichtigsten Märkten Europas, Amerikas und Asiens vertreten. Umsatz 2012: 742,6 Millionen Euro, Mitarbeiter: Schuler AG, Göppingen Das Unternehmen, das mehrheitlich zur österreichischen Andritz-Gruppe gehört, entwickelt und baut Pressen, Automationslösungen, Werkzeuge, Prozesstechnologie und Service für die gesamte metallverarbeitende Industrie und den automobilen Leichtbau. Zu den Kunden gehören Automobilhersteller und -zulieferer sowie Unternehmen aus der Schmiede-, Hausgeräte-, Verpackungs-, Energie- und Elektroindustrie. Umsatz 2012/13: 1 185,9 Millionen Euro, Mitarbeiter: ZF Friedrichshafen AG, Friedrichshafen Das Unternehmen wurde im Jahr 1915 zur Entwicklung und Produktion von Getrieben für Luftschiffe und Fahrzeuge gegründet. Heute gehören Getriebe, Lenkungen, Fahrwerkkomponenten, Dämpfungsmodule, komplette Achssysteme und -module sowie elektronische Systeme zum Produktprogramm. Umsatz 2013: voraussichtlich rund 17 Milliarden Euro, Mitarbeiter: links