Pinette Emidecau. Quilted Stratum Process

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1 Pinette Emidecau PINETTE entwirft, plant und baut u.a. automatische Produktionsanlagen für die Verarbeitung von Kohlefaserverbundwerkstoffen sowie Thermoplastlinien. Seit der Gründung im Jahr 1863, ist PINETTE mit internationalem Erfolg in den Bereichen der Luft- und Raumfahrtindustrie und mit festen Wurzeln in der Automobilindustrie tätig. Von hydraulischen Pressen (von 10 bis 10000T) über komplette Fertigungslinien (inkl. Öfen, Beheizung durch IR oder Warmluft, Handlingssysteme,...), bis zu vollautomatisierte Linien, entwickelt Pinette komplette schlüsselfertige Produktionslösungen an weltweiten Standorten. Integration von Industrierobotern, Prüfstände (100 bis 2500 Tonnen), Werkzeuge, Service, Umbaumaßnahmen, Dienstleistungen runden den Servicebereich ab. Das Angebot umfasst nebst der Konzeptionierung von Produktionsanlagen und der anschließenden Realisierung auch die komplette Fabrikplanung (turn key plants). Durch die enge Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen werden stets neue Konzepte in das bestehende Portfolio aufgenommen. Zu PEI Gruppe (zertifiziert nach ISO 9001) gehören: Pinette Emidecau GmbH, Deutschland Pinette Emidecau Industries, USA Jean Perrot Industries, Frankreich Quilted Stratum Process Der Quilted Stratum Process (QSP) ist ein revolutionärer Ansatz für das Design und die Herstellung von thermoplastischen Verbundwerkstücken und Multi-Materialteilen. Als wichtigstes Ziel wurde eine hohe Leistung der Gesamtanlage gesehen. Dieses Ziel galt es unter der Berücksichtigung von möglichst geringen Zykluszeiten und ebenso geringen Kosten zu erreichen. Zu Beginn wurden 3 Hauptkriterien festgelegt, die der Erreichung des oben genannten Ziels dienen: - Voll integrierter Prozess: vom Rohmaterial zum Fertigteil - Priorität auf Produktionsleistung: geringe Kosten und Zykluszeiten - Minimaler Materialverlust in Hinsicht auf Prozess als auch beim Auslegen der Zuschnitte Die Lösung für die Massenproduktion. Die herausragenden Eigenschaften von Kompositen und der Vorteil der Materialien hinsichtlich der Gewichtsreduzierung sind bereits bekannt. Die Wahl des Prozesses zur optimalen Verarbeitung ist jedoch ein Problem, da bislang keine praktikablen Lösungen verfügbar sind. Die verfügbaren Prozesse dienen der Herstellung von Kleinserien oder sind mit sehr hohen Produktionskosten verbunden. Produktionsprozesse und Fertigungslinien für große Volumina mit niedrigen Taktzeiten waren nicht verfügbar. Somit sind die Bedürfnisse der Massenfertigung nicht erfüllt.

2 Die bereits optimierten Prozesse der deutschen Automobilindustrie erreichen ein hohes Maß an Automatisierung um die Zykluszeit von RTM- Bauteilen zu verkürzen. Jedoch sind die vorhandenen Konzepte zu teuer um sie bei der Herstellung von Mittelklasse PKWs umzusetzen. Das QSP - System wurde 2012 beim Cetim und der Ecole Centrale de Nantes entwickelt. Drei Jahre später wurde eine QSP - Pilotanlage mit Beteiligung der Firmen Pinette Emidecau Industries, Compose, Loiretech erstellt. Um das Ziel, der Herstellung von Hochleistungs -Thermoplast Kompositteilen zu erreichen, legt QSP 3 Säulen zugrunde: - Integration des globalen Prozesses vom Rohstoff bis zum Fertigteil : Der Fokus liegt hier auf der maximalen Wertschöpfung des Fertigteils (ohne Verwendung von Halbzeugen). Durch die Verwendung von standardisiertem Rohmaterial kann eine weltweite Beschaffungsmöglichkeit realisiert werden. - Priorität auf Produktionseffizienz: Zu vorgegebene Kosten und Zykluszeiten bietet das Produkt eine reproduzierbare Qualität und die Materialeigenschaften einer robusten Konstruktion - Das Design von Multi Materialteilen : Endkonturnahe Preforms für endkonturnahe Fertigteile, welche das richtige Material in der richtigen Menge an der richtigen Stelle vorweisen. So kann Materialverschwendung minimiert werden.

3 QSP Prozessschritte 1. Pultrusion+ Extrusion: beginnend mit Endlosfasern welche mit einem thermoplastischem Material kombiniert werden. Die Tapes werden kostenoptimal und unter Berücksichtigung der optimalen Breite, Stärke und Faserverstärkung (UD, gewoben, mit Glas- und/oder Karbonfaser) hergestellt. Die Eigenfertigung von UD-Tapes in variablen Stärken und Breiten ermöglicht, die Zuschnitte auf minimalen Materialabfall zu optimieren. Soweit variable Tapes am Markt verfügbar sind, kann der spätere Zuschnitt auch dann optimiert werden. 2. Schneiden: maßgeschneiderte Patches werden mittels FEM- Analyse definiert und ausgeschnitten (ohne Staubbildung).

4 3. Preform Aufbau: eine optimierte Anordnung der zuvor geschnittenen Patches in verschiedenen Stärken und Lagen bildet die endkonturnahe Preform. 4. Erwärmung und Transport: Die Preform wird sehr schnell erhitzt bzw. auf Bearbeitungstemperatur gebracht und anschließend mittels Roboters exakt in Presse/Werkzeug positioniert. 5. Thermoformen und Hinterspritzen/Overmolding: Das erwärmte Preform wird umgeformt und mit einem thermoplastischen Material überspritzt (optional kann das Bauteil direkt im Werkzeug verstärkt werden). Was macht QSP Innovativ? Durch die Verwendung eines neuen Pultrusionsverfahrens werden Fasern mit großen Mengen an Thermoplastmaterial imprägniert. Der Hersteller kann selbst die Faser/Matrix Kombination wählen und passt die Abmessung der Tapes an die Anforderungen des gewünschten Bauteils an. Dieser Schritt erlaubt es, einem Hersteller seine Produkte ohne das Einkaufen von Halbzeugen, welche meist nicht den optimalen Produktabmessungen entsprechen, zu fertigen. Das finale Umformen und Überspritzen ermöglicht das Herstellen von komplexen Formen in kurzer Zeit. Diese Technologie bietet sich sehr für großvolumige Produktionen an. Die Verwendung von QSP- Preforms hat ein erhebliches Optimierungspotenzial gegenüber Organoblechen mit konstanter Stärke und Orientierung. Zur Entwicklung des Schneidsystems wurden alle bestehenden Verfahren (Wasserstrahlschneiden, Laser, Ultraschall etc.) auf ihre Tauglichkeit untersucht. Mit Hinblick auf die Flexibilität des Prozesses wurde ein spezieller Schneidkopf mit Ultraschallklingen entwickelt. Dieser ermöglicht ein äußerst präzises Schneiden mit einem Minimum an Schmutz und Verschnitt.

5 Beispielsweise kann ein 0,5mm starkes PA6 Tape aus Glasfasern mit einer Schneidgeschwindigkeit von 500mm/Sek. verarbeitet werden. Zum Zusammensetzen der einzelnen Patches wurde ein Handling entwickelt, welcher den Sandwich in verschiedene Stärken und Faserorientierungen gemäß einer zuvor erfolgten Berechnung zusammensetzt. Das Ziel der Entwicklung war es, Preforms in weniger als 1 Minute herzustellen. Es ist möglich, Volumina von > 10kg/min zu verarbeiten. Die Preforms müssen möglichst schnell erhitzt werden. Um das zu erzielen, wird eine Kombination von Konduktions- und Infrarotheizung eingesetzt. Der 1. Schritt ist sehr effektiv und ermöglicht es, schnellstmöglich große Mengen an Energie in das Material zu bringen, aber unterhalb der Schmelztemperatur zu bleiben. Im 2. Schritt wird mittels Infrarotheizung die zur Verformung benötigte Schmelztemperatur erzeugt. Das Hauptproblem einer herkömmlichen Infrarotheizung ist, eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Querschnitt der verschiedenen Lagen eines Preforms zu erreichen. Das eingesetzte System ist in der Lage, diese Schwierigkeit zu umgehen und somit die Zykluszeit zu reduzieren und ein besseres Ergebnis zu erzielen. Beispielsweise kann eine Preform mit einer Stärke von 1,5-3mm aus PA6 Glasfaser innerhalb von <60 Sekunden auf Prozesstemperatur gebracht werden. Nachdem Aufheizen erfolgt ein weiterer Transport mittels spezieller Nadelgreifer, welche den Transport der aufgeheizten Sandwiches problemlos ermöglichen. Nach dem Pressvorgang ist kein weiterer Arbeitsgang notwendig. Alternativ können während des Pressvorgangs verschiedene weitere Arbeitsschritte durchgeführt ohne jedoch das Werkstück hierfür zu entnehmen: - Überspritzen, um Verstärkungsrippen oder ähnliche funktionale Elemente einzubringen und um eine finale Endkontur für die weitere Verwendung zu erlangen - Einbringen von Löchern für die spätere Montage des Bauteils (mit oder ohne Metalleinlage) - Einbringen von Inserts Sämtliche Baugruppen arbeiten parallel und sind aufeinander abgestimmt. Jede Baugruppe ist darauf ausgelegt worden, eine möglichst geringe Zykluszeit zu erreichen, wie sie in der Automobilindustrie verlangt wird. Somit kann ein möglicher Gesamtzyklus von Sekunden pro Bauteil erreicht werden. Konstruktion und Auslegung eines QSP-Bauteils QSP ist vielseitiges System, das die Möglichkeit bietet, Material an der benötigten Stelle zu platzieren. Es können Bauteile mit variablen Stärken und verschiedenen Materialien in einem Prozessdurchlauf gefertigt werden. Die Belastungsanalyse eines Bauteiles zeigt, an welchen Stellen Verstärkungen mit welchen Faserorientierungen benötigt werden.

6 - Für Bereiche mit hoher Anisotropie werden in der Regel Kohlefasern verwendet um eine hohe Widerstandsfähigkeit und Steifigkeit zu erlangen. Bei geringeren Anforderungen kann auch auf Glas- oder Bio- Fasern zurückgegriffen werden. - Für Bereiche ohne hohe Anisotropie können herkömmliche Materialien wie Stahl, Aluminium oder Magnesium verwendet werden, sofern die Höhe der Belastung dies zulässt. - Für Bereiche mit speziellen Anforderungen können Verstärkungen mit Kurzfaserpolymer eingesetzt werden. QSP nutzt all diese Möglichkeiten und verbindet sie in einem Prozess, sodass ein optimales Ergebnis mit geringsten Zykluszeiten und Kosten erreicht wird. Durch unsere Zusammenarbeit mit dem CETIM bieten wir Simulation und Auslegung eines Bauteiles für QSP, sowie eine mögliche Musterproduktion auf der Pilotanlage an. Da ein neuer Prozess auch neue Herausforderungen an die Konstruktion/Design mit sich bringt, wurde in der Entwicklung des QSP auch berücksichtigt, dass entsprechende Software entwickelt wird, welche zum Beispiel aufzeigt, wie verschiedene Patches die auf das Bauteil wirkende Kraft übertragen. Hierbei handelt es sich vor allem um Software zur Optimierung der Ausrichtung der Fasern und der Verteilung der Patches sowie Design-Software, um die Machbarkeit eines Bauteils zu validieren. Unter anderem ermöglicht die Software das Verbinden der finalen 3D Form mit der ersten Preform. Somit hat ein Konstrukteur bereits in der Konstruktionsphase alle nötigen Details vorliegen. Die Versuchsanlage, die betriebsbereit in Nantes beim Cetim steht, ist in der Lage verschiedenste Bauteile zu produzieren. Die Vorteile eines mittels QSP produzierten Querlenkers werden in nachfolgender Grafik verdeutlicht.

7 Diverse Bauteile haben ein sehr großes Potential bei der Herstellung mittels QSP, zum Beispiel eine Sitzschale welche aus 6 Patches hergestellt wird. Diese Sitzschale ist 30% leichter als eine herkömmliche Stahl- Version. QSP liefert die Antwort auf die Frage wie man unter Berücksichtigung von Kosten, Stückzahlen, Konstruktionsaufwand und Taktzeit auch in der Automobilindustrie verschiedene Baugruppen aus Kompositmaterial herstellen kann. Der Prozess ist jedoch nicht beschränkt auf die Automobilindustrie, auch die Luft und Raumfahrtindustrie kann diesen Prozess verwenden um Kosten einzusparen und schneller zu produzieren..