Sonderausgabe, Februar 2011

MA S C H I N E N MA R K T

■ AVK: Aufgaben mit Netzwerken meistern ■ Organobleche für die Automobilindustrie ■ Komplexe Teile ohne Faserbruch herstellen ■ Laser: Besser als Chemie und Handarbeit

www.maschinenmarkt.de/compositesworld

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Die Welt der Faserverbundwerkstoffe. Jetzt neu in MM MaschinenMarkt. Maschinenbau, Luftfahrttechnik, Fahrzeugbau, Windenergie – diese und viele andere Branchen setzen vermehrt auf den Einsatz von Composites als Werkstoffe der Zukunft. Von welchem Entwicklungspotential kann die deutsche Fertigungsindustrie beim Einsatz von Faserverbundwerkstoffen profitieren? Und welche Anforderungen müssen für eine wirtschaftliche Composite-Bearbeitung erfüllt werden? Antworten zu diesen Fragen finden Sie ab jetzt in MM CompositesWorld, der neuen Sonderausgabe von MM MaschinenMarkt. Kontakt: Winfried Burkard, Telefon: +49 931 418-2686 E-Mail: [email protected]

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leitartikel

SpritSparer CFK

A

usgerechnet im ölrei5 Euro Mehrkosten für jedes einchen Wüstenstaat Qagesparte Bauteilkilogramm aktar, wo der Spritpreis zeptiert. Ein Anstieg dieser Mehrkeine Rolle spielt, hat kosten bei Elektrofahrzeugen auf Volkswagen das Ein-Literbis zu 10 Euro steht zur DiskusFahrzeug präsentiert: den sion. Grund dafür ist die ReduziePrototypen XL-1, der 0,9 l rung von Gewicht und Kosten der auf 100 km verbrauchen schweren und teuren Batterien. und damit nur 24 g CO2 Dagegen bleibt eine drastische Josef Kraus, MM MaschinenMarkt pro Kilometer ausstoßen Reduzierung der Werkstoffkosten soll. Verantwortlich für die vorerst unwahrscheinlich. Als erSparsamkeit ist ein Hybfolgsversprechender werden Auridantrieb – ein Zweizylinder-Dieselmotor, der 35 kW tomationsbestrebungen in der Bauteilfertigung angeLeistung aus 0,8 l Hubraum schöpft, und ein 20 kW sehen. Eine automatisierte Bauteilfertigung ist laut starker Elektromotor. Dass der „Flügeltürer“ dennoch IKT die Voraussetzung für den Durchbruch von CFK in 11,9 s auf Tempo 100 beschleunigt, liegt auch an auf Märkten wie der Automobilindustrie. der aerodynamischen Form (cw-Wert 0,186) und am Ein Großteil der CFK-Bauteilkosten entfällt heute Leichtbau mit CFK-Teilen. Das Spitzentempo ist we- immer noch auf die Fertigung. Für CFK-Anbauteile gen der Verbrauchsvorgabe auf 160 km/h begrenzt. kristallisiert sich offensichtlich das Liquid Composite Moulding (LCM) als kostensenkende Maßnahme heraus. So setzt man in der Autotüröffner für CFK-teile im Fahrzeugbau sind mobilindustrie weniger auf vorimprägnierweniger die Werkstoffkosten, ein Großteil te Strukturen (Prepregs), im Gegensatz zur Fertigung großflächiger CFK-Rumpf- und der bauteilkosten entfällt auf die Fertigung. -Flügelteile in der Flugzeugindustrie. Vielmehr werden trockene Fasergebilde erzeugt, Die tragende Karosserie des am Vorabend der Qa- die in geschlossenen Formen mit Harz injiziert und tar Motor Show 2011 (26. bis 29. Januar) präsentierten ausgehärtet werden – im RTM-Verfahren (Resin Fahrzeugs besteht aus einer in einschaliger Bauweise Transfer Moulding). Dadurch entfällt der bei prepreggefertigten Struktur (Monocoque) mit Anbauteilen basierenden Prozessen übliche Autoklav zur Aushärtung der Kunststoffmatrix. Aufgrund der langen Ausaus CFK. Damit bringt Volkswagen ein weiteres Leichtbaukonzept für das „Automobil der Zukunft“ härtungszeiten lassen sich mit Autoklaven hohe ins Spiel, zusätzlich zur Komplettkarosserie aus CFK, Stückzahlen nicht wirtschaftlich erreichen. auf die bekanntlich BMW beim Elektrofahrzeug MeSo verspricht sich nicht nur Volkswagen vom RTMgacity Vehicle setzt. Dagegen besteht das Hybridfahr- Verfahren eine deutliche Kostenreduzierung. Auch zeug XL-1 zu einem Viertel aus Stahl und Eisen und bei Daimler soll die Serienfertigung von CFK-Teilen zu 22% aus Leichtmetallen. Dennoch wiegt es rund auf diesem Verfahren basieren. Zusammen mit dem 30% weniger als ein fünfsitziger VW Golf. Grund da- japanischen Werkstoff- und Prozessspezialisten Toray für ist die Verwendung von CFK und weiterer Hoch- Industries wurde dazu ein Joint Venture gegründet, leistungskunststoffe. Jedoch musste dazu ein erhebli- der Serienstart ist für das nächste Jahr geplant. Toray cher Aufwand betrieben werden. Daher bleibt der hat das Verfahren für Fahrzeuge der Marke MercedesPrototyp laut Volkswagen vorerst ein Test- und De- Benz unter dem Namen Short-Cycle-RTM weiterentwickelt. Bei Volkswagen heißt es Advanced-RTM. monstrationsfahrzeug. CFK ist für die Automobilindustrie noch ein teurer Werkstoff. Ein Kilogramm Gewichtseinsparung mit CFK kostet heute 10 bis 15 Euro. Mit Aluminium sind es 4 bis 5 Euro und mit Stahl etwa 35 Cent. In der Automobilindustrie werden nach Angaben des Instituts für Kraftfahrzeuge (IKA) der RWTH Aachen, das anwendungsbezogene Forschung im Bereich CFK unter automobilen Anforderungen betreibt, maximal

Februar 2011

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inhalt

InHALT 6 Aktuelles

20 Vakuuminjektion

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– polyesterharz für rotorblätter großer windenergieanlagen – thermoplastischer Verbund ersetzt duroplast im Flugzeuginneren – cFK-robotergreifer bringt mehr effizienz in die schiebedachmontage – Jec show 2011 präsentiert eine innovationsgetriebene Branche

10 Markttrends

Ginger Gardiner

23 Zerspanung Neue werkzeuglösungen zur Kunststoffbearbeitung steigern die oberflächenqualität. diethard thomas

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der AVK-Vorstand setzt auf Netzwerke zur Förderung der innovations- und wettbewerbsfähigkeit der compositesBranche. dazu gehören Aktionen auf Anwendungsmärkten.

projekte mit dem slcr-process zeigen, dass der laser auch bei composites als entschichtungs- und reinigungswerkzeug einsetzbar ist. olaf schulz

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16 LFT-Verarbeitung

Helmut Fahrenholz

mit dem spritzverfahren lomolding können langfaserverstärkte themoplaste ohne viel Faserbruch wirtschaftlich verarbeitet werden.

Impressum:

peggy malnati

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Februar 2011

29 MM c o m p o s i t e s w o r l d

29 Materialprüfung steigendes prüfaufkommen zwingt bei der materialprüfung zur rationalisierung.

Alexander stock und peter egger

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mit spezialwerkzeugen wurde ein carbon-chassis eines zweisitzigen roadsters gefertigt.

26 Laserbearbeitung

12 Hybridteilfertigung

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24 Leichtbau

christian Freitag

Josef Kraus

Verfahren der Kunststoffverarbeitung erschließen organoblechen Anwendungen im Automobilbau. der schlüssel liegt in der Verfahrenskombination.

in composites-Bauteilen lässt sich der Fasergehalt auf 60 bis 70 Vol.-% steigern. möglich macht es die Vakuuminjektion mit der doppelkammertechnik.

Verlags- und Redaktionsanschrift: Vogel Business media GmbH & co. KG, redaktion mm-maschinenmarkt, max-planck-str. 7/9, 97082 würzburg (V.i.s.d.p.: Ken Fouhy). Druck: Vogel druck und medienservice, leibnizstraße 5, 97204 Höchberg. © the German edition of the compositesworld is a publication of Vogel Business media, licensed by Gardner publications, inc. cincinnati, ohio, UsA. © copyright of the trademark “compositesworld” by Gardner publications inc., cincinnati, ohio, 45244, UsA.

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aktuelles

Composites

NeWs

polyesterharz für rotorblätter großer windenergieanlagen

optimierte preformtemperierung bei Verbundteilen mit Hohlräumen

DSM Composite Resins hat ein Polyesterharz für Rotorblätter von Windenergieanlagen entwickelt. Dieses unter dem Namen Synolite 1790TM-G-3 am Markt eingeführte Duroplast wurde erstmalig auf der vergangenen Fachmesse China Wind Power in Peking vorgestellt. Mit diesem Harz stellt sich DSM auf die Herstellung immer größerer Rotorblätter für Windenergieanlagen ein. Die Herausforderung bei der Werkstoffentwicklung liegt in einer weiteren volumenbezogenen Gewichtsreduzierung trotz der geforderten hohen Festigkeit. Aufgrund der niedrigen Viskosität eignet sich das Harz für das Vakuuminfusionsverfahren. Im Vergleich zu üblichen ungesättigten Polyesterharzen und Epoxidharzen ermöglicht es eine deutliche Steigerung der Produktivität. So wird als vorteilhafte Verarbeitungseigenschaft eine schnellere Glasfaserbenetzung hervorgehoben. Ferner kann die gesamte Aushärtung der Rotorblätter bei Raumtemperatur erfolgen, wobei im Gegensatz zu Epoxidharz das Nachhärten entfällt.

Bei der Fertigung integraler Faserverbundstrukturen im RTM-Verfahren ist zum Ausformen von Hohlräumen ein innerer Kern erforderlich, der nach dem Aushärten des Bauteils aus der Struktur entfernt wird. Am Beispiel einer Vielholmerlandeklappe hat das Faserinstitut Bremen dazu den Temperierprozess optimiert. Üblicherweise wird die thermische Energie über das Formwerkzeug in die Faserstruktur eingebracht. Im Gegensatz zum Wärmetransport an kontaktierten metallischen Körpern hat die Faserpreform eine stark isolierende Wirkung. Aufgrund dieses Effekts verlängert sich die Aufheizphase eines Formwerkzeugs zur Herstellung integraler Faserverbundstrukturen erheblich. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, entwickelt das Bremer Institut ein Heizsystem, das eine regulierte Wärmeemission an der Oberfläche des verwendeten Kerns erzeugt. Ziel ist die gleichmäßige Temperierung eines umgebenden Faserpreforms ohne Einschränkung des geometrischen Freiheitsgrads. Zur Temperierung werden daher Kerne aus porösem Formsand verwendet, der im Gegensatz zu Metallen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat. Das vermeidet, dass der komplette Kern aufgeheizt werden muss.

schneide- und dosiereinheit flexibilisiert compoundrezeptur Die Faserschneide- und Dosiereinheit Fibercut des Maschinenherstellers MAG ermöglicht, direkt Einfluss auf die Compoundrezeptur zu nehmen. Dazu wurde die Entwicklung der Verfahrenstechnik zur Bereitstellung von Schnittfasern, zum Beispiel für die Herstellung von SMC, BMC oder faserverstärkten Thermoplasten, weiter vorangetrieben. Als Anwendungen hat man besonders die Verarbeitung schwierig zu schneidender Fasern im Visier. Weitere Anwendungen werden beim direkten Schneiden und Dosieren von Fasern innerhalb der BMC-Verarbeitung oder dem Spritzgießen gesehen. Die auf Spulen bereitgestellten Endlosfasern werden von zwei separat ansteuerbaren Vorschubeinheiten dem nachgeschalteten Schneidwerk zugeführt. Die zum Patent angemeldete Schneideinheit besteht aus mindestens zwei Spindelmodulen, die pro Umdrehung jeweils vier Schnitte ausführen. Fallen die Fasern nach dem Schneiden auf ein geschwindigkeitsgeregeltes Förderband, entsteht eine reproduzierbare, spezifisch einstellbare Faserdichte (Fasermatte). Die Verfahrenstechnik ermöglicht ein gleichzeitiges Schneiden und Dosieren unterschiedlicher Fasertypen und -längen. 6

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MM c o m p o s i t e s w o r l d

Aufbereitung von Fertigungsabfällen führt zu resistenten composites Der Faserhersteller 3B hat sich mit dem belgischen Recyclingspezialisten Reprocover zusammengetan, um mit recycelten Verbundwerkstoffen Anwendungen in der Wasserver- und Abwasserentsorgung zu erschließen. Erstes Ergebnis ist ein Produkt aus 90% Recyclingmaterial, das bei Kanaldeckeln, Kanalisationsschächten und Zugangsklappen Gusseisen ersetzen soll. Rohstoffbasis für die Werkstoffherstellung sind Fertigungsabfälle. In der Metallsubstitution sieht 3B die zentrale Herausforderung für glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe zur Reduzierung von Bauteilgewicht und -kosten. Dazu kommt die Notwendigkeit zur Verbesserung von Anwendungseigenschaften wie Schlagzähigkeit und Witterungsbeständigkeit. Die gemeinsam mit Reprocover entwickelte Werkstoffreihe basiert auf einem Duroplast mit 50 bis 60% Glasfaseranteil (Advantex).

AKTUELLES

Thermoplastischer Verbund ersetzt Duroplast im Flugzeuginnern Der Kunststofferzeuger Sabic hat zusammen mit dem Spezialpapierhersteller Crane & Co. Verbundplatten aus Polyetherimid (PEI) für die Luftfahrttechnik entwickelt. Sie wurden als Alternative zu Werkstoffverbunden aus Duroplast mit Aramidwaben am Markt platziert. Vorteile der PEI-Platten sind die schnelle thermische Umformung und die gute Recyclingfähigkeit. Zur Verlängerung der Nutzungsdauer lassen sie sich mit einer Folienschicht kaschieren – unter Einhaltung der Anforderungen der Federal Aviation Administration (FAA). Im Herbst vergangenen Jahres wurden die Verbundplatten bei einer großen Fluggesellschaft bereits erprobt. Generell sieht Sabic in der Verwendung thermoplastischer Werkstoffverbunde Vorteile im Vergleich zu Composites auf Duroplastbasis bei Flugzeuginnenräumen. So senken Eigenschaften wie die schnelle Verarbeitbarkeit und gute Recyclingfähigkeit die Systemkosten. Weil Aramidwaben gegen Feuchtigkeit und UV-Licht äußerst empfindlich sind, müssen die porösen Kanten eines Bauteils aufwendig von Hand verfüllt und abgedichtet werden – ein Verfahren, das bis zu h dauern kann. Dagegen dauere das Umformen der PEI-Platten nur wenige Minuten.

C V D -TO O L S

Die Zukunft in der Zerspanung von GFK und CFK / Al > 30% Si / Magnesium

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Verbundteil aus Metall und CFK als Schutzhaube für ein Röntgengerät Jüngstes Produkt des Hightechzulieferers Biersack, Beilngries im Altmühltal, ist eine Schutzhaube mit röntgendurchlässigem Kern. Bei dieser mechanischen Schutzvorrichtung für ein Röntgengerät handelt es sich um ein Verbundteil aus Metall und CFK. Die Vorteile dieses Werkstoffverbunds werden im geringen Gewicht, der niedrigen Wärmeausdehnung und der einfachen Handhabung gesehen. Beides mache eine Geräteumrüstung leichter. Der Faserverbundkunststoff CFK sichert die volle Durchlässigkeit der Röntgenstrahlung während des Gerätebetriebs. Trotz des mechanischen Schutzes kommt es laut Biersack kaum zu einer Beeinträchtigung der dargestellten Bildqualität. Der Zulieferer hat sich vor zwei Jahren neu am Markt für Bauteile aus Composites positioniert. Man deckt die komplette Prozesskette in diesem Bereich ab: von der Bauteilberechnung und -simulation über die Herstellung im Handlaminier- und Vakuuminfusionsverfahren bis zur Baugruppenmontage. Hauptstandbein ist die CNC-Bauteilfertigung im Zerspanungsbereich. Das ermöglichte den Aufbau einer Montage für hybride Baugruppen aus CFK, Titan und/oder Aluminium.

6 Für abrasive Werkstoffe 6 Auch über 80% Faseranteil einsetzbar 6 Der weltweit erste Anbieter mit einem CVD-Komplettprogramm 6 Zukunftsweisende Technologie für Leichtbaukomponenten

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aktuelles

cFK-robotergreifer bringt mehr effizienz in die schiebedachmontage

cFK-Valley stade gab einblick in Kooperationsmodelle

IBG Automation, Neuenrade, hat einen CFK-Robotergreifer konstruiert, der den Einbau eines Schiebedachs in die Karosserie bei einem PremiumAutomobilhersteller effizient gestaltet. Die Basis für erfolgreiche Projekte wie dieses ist die Unterstützung und Zusammenarbeit entlang der gesamten Prozesskette: von der Entwicklung über die Konstruktion und den Prototypenbau bis zur Serienfertigung komplexer CFK-Strukturen. Alle Stufen deckt IBG als Engineering-Dienstleister ab. In der Regel wird ein frühzeitiger Projekteinstieg angestrebt. Sei das der Fall, könne der Kunde von den umfangreichen Erfahrungen des Spezialisten am besten profitieren, heißt es. Die IBG Automation GmbH konstruiert jedoch nicht nur CFK-Bauteile. Als Entwicklungspartner konzipiert IBG auch automatisierte Fertigungstechniken, um eine wirtschaftliche Großserienfertigung von CFK-Bauteilen zu ermöglichen – insbesondere in der Automobilindustrie. Jedoch kommen auch Anfragen aus der Medizintechnik und dem Maschinenbau. Anstöße dafür bietet laut IBG die Metallsubstitution. Die Gründe dafür liegen in der Gewichtseinsparung. Reduzierte Massen verbessern die Maschinendynamik. Dazu kommt die Energieeinsparung beim Antrieb leichter CFK-Komponenten. Dadurch werde die Effizienz weiter gesteigert. Auf der Hannover-Messe 2011 (4. bis 8. April) wird IBG einen Einblick in jüngste Entwicklungen im Bereich der industriellen Automatisierung geben. IBG Automation ist Teil der Goeke Technology Group mit über 200 Mitarbeitern an Standorten in Deutschland und den USA.

Ende vergangenen Jahres hat sich CFK-Valley Stade als Netzwerk im Bereich Faserverbundwerkstoffe auf der Regionalkonferenz „Wissens- und Technologietransfer in Norddeutschland“ an der Universität Lüneburg präsentiert. Die Konferenz wurde von der Initiative Metropolregion Hamburg organisiert. Prof. Dr.-Ing. Axel S. Herrmann, Vorsitzender des Steuergremiums des CFKValley Stade e.V., gab auf der Konferenz Einblick in Kooperationsmodelle zwischen Wissenschaft und Praxis. In einer Diskussionsrunde stellte sich dann Geschäftsstellenleiter Patrick Markert den Fragen der Moderatorin.

17. nationales sampe-symposium nimmt Großserienfertigung ins Visier Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen organisiert das 17. nationale Sampe-Symposium. Die Konferenz beleuchtet das Thema „Faserverbundwerkstoffe – Hochleistung und Großserie“ entlang der gesamten Wertschöpfungskette und findet am 16. und 17. Februar 2011 in Aachen statt. Die Veranstalter erwarten rund 200 Teilnehmer. In der Entwicklung von Fertigungsverfahren für Bauteilgroßserien aus Faserverbundwerkstoffen liegt für Branchenkenner der Schlüssel zur Senkung der Bauteilkosten. In den Vorträgen werden daher Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Optimierung der Großserienfertigung präsentiert. Auf dem Symposium wird laut IKV detailliert darauf eingegangen. Das nationale Symposium der „Society for the Advancement of Materials and Process Engineering“ (Sampe) findet seit 1995 jährlich an einem deutschen Werkstoffzentrum statt. 8

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MM c o m p o s i t e s w o r l d

polymer-metall-Verbundwerkstoff überwacht Kunststoffteile

Am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM), Bremen, wurde ein Polymer-MetallVerbund entwickelt, der die Inspektion großer, hoch belasteter Komponenten wie Windräder oder Flugzeugflügel vereinfachen soll. Dieser Verbundwerkstoff hat Sensoreigenschaften, weshalb damit gefertigte Bauteile sich selbst überwachen können. Er lässt sich bei der Herstellung direkt in ein Kunststoffteil integrieren. Die guten sensorischen Eigenschaften verdankt der Verbundwerkstoff dem hohen Metallanteil (bis zu 90 Gew.-%) und einem besonderen Mischungsverfahren. Bei mechanischer Bauteilbelastung verändert sich der elektrische Widerstand des Verbundwerkstoffs. Dadurch entsteht ein elektrisches Signal, das zur Auswertung an ein Messgerät weitergeleitet werden kann. Eine besondere Herausforderung lag in der Entwicklung eines Verfahrens, das unterschiedliche metallische Substanzen gleichmäßig in einem flüssigen Kunststoff verteilt. Das Verfahren funktioniert mit verschiedenen Kunststoffen.

FVK stellt sich in Bad Nauheim den metallkarosseriewerkstoffen In Kooperation mit dem Carbon Composites e.V. (CCeV), Augsburg, veranstaltet Automotive Circle International, Hannover, die Fachkonferenz „Materialien des Karosseriebaus“ am 11. und 12. Mai 2011 in Bad Nauheim bei Frankfurt am Main. Dort werden Faserverbundkunststoffe (FVK) als Karosseriewerkstoff den Metallen gegenübergestellt. Hauptanforderung bleibt die Gewichtsreduzierung, weil einerseits die CO2-Flottenemissionsziele drängen und andererseits bei Elektrofahrzeugen das Mehrgewicht der Batterien zu kompensieren ist.

aktuelles

JEC Show 2011 präsentiert eine innovationsgetriebene Branche Das Marktwachstum im Bereich Composites wird laut Frédérique Mutel stark von Innovationen getrieben. Als Wachstumstreiber hat die JEC-Päsidentin und -Geschäftsführerin vor allem vier Bereiche ausgemacht: Werkstoffentwicklung, Formenbau, Bau- und Verkehrstechnik. Auf der JEC Show 2011 – der weltgrößten Fachmesse für Verbundwerkstoffe – Ende März in Paris zeigt sich das anhand mehrerer Entwicklungstrends, die der Veranstalter – die JEC Group – bei Verbundwerkstoffen mit folgenden Schlagworten zusammenfasst: leichter, kostengünstiger, sicherer und umweltverträglicher. In den anderen Bereichen wird auf der Messe die Devise ausgegeben: mehr Effizienz durch Automatisierung und Verkürzung der Fertigungszeiten. Diese Trends werden sich nicht nur an den Ständen der mehr als 1000 Aussteller widerspiegeln, sondern in fokusierter Form auch auf der Award-Verleihung. Zwei der 14 weltweit vergebenen Auszeichnungen erhalten deutsche Unternehmen: die BrötjeAutomation GmbH, Wiefelstede bei Oldenburg, und die Jacob Plastics GmbH, Wilhelmsdorf bei Nürnberg. Brötje wird für eine Maschine zur automatisierten Fertigung gebogener Preforms ausgezeichnet. Anwendungsschwerpunkt sind Strukturteile für die Luftfahrttechnik. Jacob Plastics erhält die Auszeichnung für das sogenannte FIT-Hybrid-Verfahren – eine Verfahrenskombination, die bereits das „Network of Automotive Excellence“ auf dem Würzburger Automobilgipfel 2010 prämierte: Sandwichelemente aus Laminat-Deckschichten und gespritztem Kunststoffkern

werden im Prägehub- und Gasinjektionsverfahren zu Multifunktionsbauteilen geformt. Im Fokus steht die Automobilindustrie. Knapp drei Viertel der Messeaussteller kommen aus dem Ausland. Bei den Besuchern werden es wieder mehr als zwei Drittel sein. Im vergangenen Jahr zählte der Veranstalter 27 700 Besucher, der Auslandsanteil betrug fast 70%. Über die Hälfte der Besucher sind Endanwender, die sich nicht nur an den Ständen nach Trends erkunden, sondern auch auf den vier Anwendungsforen Luftfahrt-, Fahrzeug- und Bautechnik sowie Windenergieanlagen. Sieben Foren und fünf Konferenzen komplettieren die Messe.

Markt

AVK-Gespräch

Mithilfe von Netzwerken die Aufgaben meistern der neue AVK-Vorstand setzt auf Netzwerke zur Förderung der innovations- und wettbewerbsfähigkeit der composites-Branche. dazu gehören verstärkt Aktionen auf Anwendungsmärkten, mit denen Faserverbundkunststoffe stärker ins Bewusstsein der Konstrukteure rücken sollen.

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JoseF KrAus

nde vergangenen Jahres haben die Mitglieder der AVK – Industrievereinigung verstärkte Kunststoffe e. V., Frankfurt am Main, einen neuen Vorstand gewählt. Vorsitzender ist seit Jahresbeginn Dr. Michael Effing, Präsident der DSM Composite Resins AG, Schaffhausen/Schweiz. Stellvertreterin wurde Heike Wolfangel, Geschäftsführerin der Wolfangel GmbH, Ditzingen. Weitere Vorstandsmitglieder sind seit den Wahlen Dr. Gerd Esswein, Geschäftsleiter der Freudenberg Forschungsdienste KG, Weinheim, und Prof. Jens Ridzewski, Abteilungsleiter Kunststoffe und stellvertretender Bereichsleiter Werkstoffe bei der IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Dresden. Dr. Tilman Schultz, Geschäftsführer der Chemowerk GmbH, Weinstadt, wurde in seiner Funktion als Schatzmeister bestätigt.

Gegenüber der Branchenzeitschrift „CompositesWorld“ nannte der AVK-Vorstand fünf Branchenthemen, die in seiner dreijährigen Amtszeit verstärkt vorangetrieben werden sollen: die Bekanntheit und Kenntnis der Nachthaltigkeit von Faserverbundkunststoffen, die Förderung der Innovationsfähigkeit, die Netzwerkbildung und die europäische Zusammenarbeit. Substitutionspotenzial ist vielerorts unbekannt

Das Substitutionspotenzial von Faserverbundkunststoffen (FVK) führt in vielen Branchen zu vorteilhaften Anwendungen. Basis dafür sind Werkstoffeigenschaften wie ein relativ niedriges volumenspezifisches Gewicht bei hoher Steifigkeit, Festigkeit und sehr hoher Korrosionsbeständigkeit. Dazu kommt die hohe Gestaltungsfreiheit sowie die Möglichkeit, mechanische Eigenschaften

Bild: Faserinstitut Bremen

AVK-Innovationspreis

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MM c o m p o s i t e s w o r l d

Auf der AVK-tagung 2010 wurde ein Verfahren zur Herstellung von organofolien aus Verschnittresten und alten cFK-teilen in der Kategorie umwelt mit dem AVK-innovationspreis prämiert.

spezifisch zu beeinflussen. Dennoch hält sich der Bekanntheitsgrad von Faserverbundkunststoffen in Wissenschaft und Industrie noch stark in Grenzen. Die AVK arbeitet seit Jahren daran, das zu ändern. So wurde bereits ein Marketingkonzept für Hochschulen entwickelt, für das man nun industrielle Partner sucht. Ziel ist es, an vielen Hochschulen und Instituten mit ingenieurswissenschaftlichen, werkstofflichen oder designtechnischen Schwerpunkten Gastvorträge zum Thema Composites zu platzieren. Für Studenten könne das einen Einstieg in das Thema bedeuten. In der Industrie soll dagegen verstärkt auf potenzielle Anwender zugegangen werden. Daher ist geplant, die Präsenz auf Tagungen, Kongressen und Messen auszubauen. Dabei stehen nicht nur eigene Branchenmessen im Visier, sondern auch die Ausstellungen potenzieller Anwendungsbranchen. Eine weitere Maßnahme ist die Informationsverbreitung über entsprechende Branchenmedien. Über das Thema „Nachhaltigkeit von Werkstoffen“ wird derzeit viel diskutiert – sowohl politisch als auch gesellschaftlich. Es ist „in“, jedoch erfolgen die Diskussionen oftmals ohne das nötige fachliche Hintergrundwissen. Unterstützt von mehr als 30 Mitgliedsunternehmen hat die AVK daher einen Arbeitskreis gegründet, der zum Beispiel einen „Nachhaltigkeitsbericht“ für den Werkstoff FVK veröffentlicht hat. Außerdem führte die Debatte um die Entsorgung von FVK zu einer Projektpartnerschaft mit der Zajons Zerkleinerungs GmbH, Melbeck bei Lüneburg, die ein Konzept zur vollständigen Verwertung von Faserverbundkunststoffen entwickelt hat. Die Bündelung unterschiedlicher Aktivitäten von Unternehmen und Instituten ist ein Arbeitsschwerpunkt in diesem Bereich. Derzeit wird an Aufbereitungs-

Eine wichtige Aufgabe der AVK ist in den kommenden Jahren, die Vorteile der Ver­ bandsarbeit noch deutlicher herauszuarbei­ ten und die Basis ihrer Arbeit weiter zu ver­ breitern. Das wird letztendlich zu einer Bündelung von Interessen und einer Erhö­ hung der Schlagkraft auch auf europäischer Ebene führen. Die Vorteile von Netzwerken und Kooperationen sind dem Großteil von Unternehmen und Verantwortlichen be­

wusst. Der Nutzen der Verbandsarbeit ist vielfach unbestritten. Dennoch wird oftmals versucht, den Mehrwert in monetärer Hin­ sicht auszudrücken, oder es wird nach einer „Steigerung des Umsatzes“ geforscht. Die verstärkte Zusammenarbeit mit ver­ schiedenen Verbänden und Kooperations­ partnern auf europäischer Ebene wird die AVK fortsetzen. Ein Anliegen dabei ist, durch enge Abstimmung Mehr­ oder Dop­ pelarbeit zu vermeiden und mit einer Stim­ me nach außen zu sprechen. Im Rahmen dieser Kooperation ist es der AVK wichtig, die Besonderheiten der deutschen FVK­ Branche weiter herauszuarbeiten. Dazu ge­ hört die führende Stellung in Europa, die weiter gefördert und im internationalen

Kontext auf dem Weltmarkt weiter ausge­ baut werden muss. Die internationalen Märkte wachsen zusammen. Die separierte Betrachtung einzelner, nationaler Märkte oder Branchen verbietet sich vor dem Hin­ tergrund der zunehmenden Globalisierung auch in der Composites­Industrie. Die AVK vertritt in Deutschland – aber auch auf europäischer Ebene – die Interessen von Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette im Composites­Be­ reich. Unter den rund 200 Mitgliedsunter­ nehmen sind Rohstofferzeuger, Verarbeiter, Maschinenbauer, Ingenieurbüros, Prüfämter und wissenschaftliche Institute. Deren Größe reicht von kleinen über mittlere Unterneh­ men bis zu internationalen Konzernen. ■

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strategien auf europäischer Ebene in enger Abstimmung mit verschiedenen Partnern gearbeitet. Um die Voraussetzungen für Innovatio­ nen weiter zu verbessern, soll der Informa­ tionsaustausch gefördert werden. Die mit­ telständischen Unternehmen der Compo­ sites­Branche sind sich der Notwendigkeit der Zusammenarbeit bei Entwicklungen bewusst. Das hat eine Untersuchung der Fachhochschule Bielefeld ergeben. Die AVK schafft entsprechende Angebote, etwa im Rahmen von Arbeitskreisen, Fachtagungen, der Förderung von Projektbestrebungen und der Vermittlung von Beratungsdienstleis­ tung. Die unternehmensübergreifende Pro­ zess­ und Produktentwicklung wird auf­ grund der zunehmenden weltweiten Vernet­ zung für den Standort Deutschland weiter an Bedeutung gewinnen. Daher stärkt die AVK die Zusammenarbeit unter ihren Mit­ gliedern bei unterschiedlichen Aktivitäten. So werden Möglichkeiten gesucht, um den Zugang zur Forschung speziell für den Mit­ telstand weiter zu vereinfachen und die In­ teressen verschiedener Mitglieder dabei zu bündeln.

bilder: aVK

Markt

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produktion

Hybridteilfertigung

Organobleche verlassen das Hochpreissegment Verfahren der Kunststoffverarbeitung erschließen organoblechen Anwen­ dungen im Automobilbau. der schlüssel liegt in der Verfahrenskombination. die faserverstärkten thermoplastischen Halbzeuge werden auf einer spritz­ gießmaschine umgeformt und mit dem gleichen thermoplast hinterspritzt.

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AlexAnder stocK und peter egger

Leichtbauwerkstoff nicht mehr wegzudenken und das Spritzgießen ermöglicht eine hohe Gestaltungsfreiheit sowie eine reproduzierbare, funktionsintegrative sowie kosten- und ressourcenschonende Herstellung. Konstruktion und Verarbeitung müssen zusammenpassen

Viele Anforderungen des Leichtbaus werden heute bereits von Spritzgießteilen erfüllt. Jedoch gibt es weitere Anforderungen, die Konstrukteure, Werkstoff- und Maschinen-

hersteller immer wieder herausfordern, innovative Wege zu gehen und Grenzen zu verschieben. Leichtbau ist nicht nur eine Frage des Werkstoffs. Vielmehr kommt es auf das Zusammenspiel zwischen Werkstoff, Konstruktion und Verarbeitungsprozess an. Je geringer die Wanddicke, desto leichter das Bauteil. Der Verarbeitungsprozess muss sich dieser Anforderung anpassen. Das ist ein Grund dafür, dass heute Spritzgießwerkzeuge für Leichtbauteile mit vielen Anspritzpunkten ausgestattet werden. Der erhöhte

Automatisierung erzeugt Wirtschaftlichkeit Automatisierte Fertigungszelle zur wirtschaftlichen Verarbeitung thermo­ plastischer Faserverbundhalbzeuge. Auf der Kunststoffmesse K 2010 wurden damit Hybridteile hergestellt. Basis dafür ist die stoffschlüssige Verbindung. 12

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MM c o m p o s i t e s w o r l d

Bild: engel Austria

eichter, schneller, höher, weiter – nicht erst seit dem Aufkommen der Elektromobilität werden die Rufe nach Bauteilen mit niedrigem Gewicht, die sich noch dazu ökonomisch herstellen lassen, lauter. Leichtbau und Spritzgießen sind längst Schlüsselbegriffe zur Bewältigung der steigenden Anforderungen in den Anwendungsbereichen Verkehr und Mobilität. Kunststoffe sind aufgrund ihrer herausragenden spezifischen Eigenschaften als

Druckverlust auf engen Fließwegen kann durch Wegverkürzung kompensiert werden. Auch Spritzprägen und variotherme Temperaturführung verringern den Druckbedarf und die Schließkraft. Ist eine weitere Reduktion der Wanddicke konstruktiv nicht möglich oder gewünscht, kann das Bauteil durch Schäumen oder Fluidinjektion an Gewicht verlieren. Um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, kommen Verstärkungsmaterialien zum Einsatz. Für die Verstärkung von Thermoplasten hatten bislang vor allem Kurz- und Langfasern Leichtbaurelevanz. Mit steigendem Fasergehalt und steigender Faserlänge werden die mechanischen Eigenschaften besser. Kurzfaserverstärkte Thermoplaste zeigen je nach Faserorientierung, die unter anderem von der Füllung der Kavität abhängig ist, ein anisotropes Werkstoffverhalten. Zwar erzielen langfaserverstärkte Thermoplaste bessere mechanische Eigenschaften, doch sind die endgültigen Bauteileigenschaften auch in diesem Fall von der Lage der Fasern abhängig. Für flächige Bauteile werden Langfasern zur Verstärkung in glasmattenverstärkten Thermoplasten (GMT) eingesetzt. GMT bestehen aus konsolidierten Glasfasermatten (Wirrfaseranordnung ohne Vorzugsrichtung), in denen die Bindung der Einzelfasern als Matte für eine gleichmäßige Faseranordnung im Bauteil sorgt, wodurch annähernd isotrope Eigenschaften in der Bauteilebene gewährleistet werden. Endlosfaserverstärkte Thermoplaste als Metallersatz in Hybridteilen

Endlosfasern, deren Länge im Bereich der Bauteilabmessungen liegt, lassen sich im Bauteil so verteilen, dass sie in Belastungsrichtung die benötigten Verstärkungsaufgaben erfüllen. Dadurch werden der Fasergehalt und somit die Dichte des Bauteils reduziert. Bei gleichbleibendem Fasergehalt führt das zu weiter verbesserten Bauteileigenschaften. Aufgrund der guten Benetzungsfähigkeit niedermolekularer Ausgangsprodukte von Duroplasten werden Endlosfasern meist in einer duromeren Matrix gebunden. Jedoch haben die Eigenschaften von Duromeren nicht nur Vorteile: Lange Zykluszeiten, fehlende Verarbeitungsflexibilität und Dipl.-Ing. Alexander Stock ist Technologiemanager Leichtbau & Faserverbundtechnologien bei der Engel Austria GmbH in St. Valentin (Österreich). Dipl.Ing. Peter Egger ist Leiter Anwendungstechnik Großmaschinen im gleichen Unternehmen. Weitere Informationen: Alexander Stock, 4300 St. Valentin/ Österreich, Tel. (00 43-50) 6 20-41 93, Fax (00 43-50) 6 20-1 41 93, [email protected]

bild: bond Laminates

produktion

Faserverstärkte Thermoplaste contra Leichtmetalle Kombinationsvielfalt und Laminataufbau sind bei faserverstärkten Thermoplasten für die Maximierung von Festigkeit und Steifigkeit verantwortlich.

eingeschränkte Lagerdauer vorvernetzter Halbzeuge sowie nur bedingt vorhandene Technologien zur Automatisierung erschweren den Einzug der Endlosfasern in breite Anwendungsgebiete. Bislang finden Kunststoffe mit Endlosfaserverstärkung vor allem in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in weiteren Hochpreissegmenten Anwendung. Für mechanisch besonders hoch beanspruchte Bauteile werden häufig auch Kunststoff-MetallHybridstrukturen verwendet, die Blechbauteile in puncto Leichtbaupotenzial und Energieaufnahmevermögen übertreffen [1]. Crashelemente, die ebenso tragende Strukturen bilden, sind ideale Bauteile für Kunststoff-Metall-Hybride. Doch auch diese Verbunde sind nicht der Weisheit letzter Schluss. Bei Temperaturschwankungen führen zum Beispiel die stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten metallischer und polymerer Werkstoffe zu Spannungen an den Verbindungsstellen. Im schlimmsten Fall können die Bauteile versagen. Diese Nachteile entfallen, sofern Hybridstrukturen vollständig aus Thermoplasten aufgebaut werden. Endlosfaserverstärkte Kunststoffkomponenten kommen als mögliche Substituenten für die Metalle infrage – eine wesentliche Triebfeder für die Entwicklung neuer Materialkombinationen und Spritzgießprozesse, um die Nachteile der Duroplast-Faserverbundverarbeitung zu überwinden. Das Spritzgießen von Hybridstrukturen unter Verwendung neuartiger thermoplastischer Endlosfaser-Verbundhalbzeuge – sogenannter Organobleche – verspricht die Herstellung sehr leichter Bauteile bei extrem

kurzen Zykluszeiten und hoher Fertigungseffektivität. Die potenziellen Anwendungen der Teile sind sehr vielfältig. Organobleche sind beinahe unbegrenzt lagerfähig und wiederverformbar. Sie haben im Vergleich zu konventionellen Faserverbundwerkstoffen vergleichbar hohe Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte bei geringerer Dichte. Hervorzuheben sind zudem die guten Impacteigenschaften, die Anwendungen im Automobilbereich erschließen. Der Name Organobleche resultiert aus der organischen Matrix – meist Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS) oder thermoplastisches Polyurethan (TPU) – und dem Einsatz als Substituent für Metallbleche. Herausragendes Impactverhalten bei guter Umformbarkeit

Hergestellt werden die plattenförmigen Halbzeuge auf Doppelbandpressen. Je nach Anwendung können Fasertypen, Lagenaufbau und -anzahl sowie die Dicke der Organobleche variiert werden. Gängige Fasertypen sind Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern. Es können rein unidirektionale (UD) Aufbauten sowie Kombinationen mehrerer UD-Schichten realisiert werden. Dabei kommen die für alle Faserverbundwerkstoffe gängigen Laminattheorien zum Tragen. Aufgrund der materiellen Kombinationsvielfalt und der wirkungsvollen Laminataufbauten sind die Organobleche für Leichtbauanwendungen prädestiniert. Werden thermoplastische Laminate gezielt für Hybridstrukturen eingesetzt, entstehen aufgrund der Schweißbarkeit stoffschlüssige Anbindungen – beispielsweise zur kurzfaserverstärkten, thermoplastischen HybridkompoFebruar 2011

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PRODUKTION

Der Lenkstockhalter besteht aus einer hochfesten, hochfesten, formgebenden Komponente, dem Organoblech, und gespritzten Rippen.

Bild: Engel Austria

nente. Im Vergleich zu den Organoblechen mit hohen Festigkeitswerten und herausragendem Impactverhalten bei guter Umformbarkeit führen gespritzte Strukturen wie Rippen zu hohen Steifigkeitswerten und hoher Bauteilstabilität bei geringem Masseaufkommen. Organobleche sind plattenförmig und in beliebigen Zuschnitten erhältlich. Zum Umformen werden sie ähnlich wie GMT mittels Infrarotstrahlung, Umlufterwärmung oder Kontaktheizung erwärmt. Weil die Platten auf dem Weg von der Aufheiz- zur Umformstation in kurzer Zeit abkühlen können, müssen das Zeitfenster möglichst klein und die Ausgangstemperatur möglichst hoch gewählt werden. Dabei ist eine material- und dickenspezifische Temperaturobergrenze zu beachten, damit es nicht zu einer thermischen Oberflächenschädigung kommt. Sechsstufige Hybridteilfertigung ist komplett automatisiert

Beim Aufheizen über die Schmelzetemperatur hinaus dehnt sich der Verbund in Dickenrichtung besonders stark aus, was als Loften bezeichnet wird. Beim Loften versucht der Werkstoffverbund sich wieder, in die Ausgangslage vor dem Verpressen zu entspannen. Die einzelnen Gewebelagen lassen sich in diesem Zustand leicht gegeneinander verschieben, was die Drapierung erleichtert. Insgesamt beinhaltet der Verarbeitungsprozess von Organoblechen das Aufheizen, Drapieren und Wiederverpressen der dekonsolidierten Lagen. Diese Vorgänge haben einen entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften, weil bereits kleine Änderungen der Faser14

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winkel große Auswirkungen auf Elastizitäts- und Schubmodul sowie Festigkeit haben. Empirische Versuche zur Drapiersimulation wurden am Lehrstuhl für Kunststofft Kunststofftechechnik (LKT) der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt, deren Ergebnisse für die Optimierung des Zuschnitts herangezogen werden können. Der Überblick über die einzelnen Verarbeitungsschritte von Organoblechen gibt bereits die Richtung für den Aufbau Aufb au einer Fertigungszelle zur Herstellung hybrider Strukturbauteile aus thermoplastischen Faserverbunden mit angespritzten Versteifungsrippen vor. Die Prozesskette besteht primär aus den Schritten Aufheizen, Umformen und Hinterspritzen. Eine automatisierte Prozesskette zur wirtschaftlichen Fertigung großer Stückzahlen mit einer hohen Produktivität bei reproduzierbaren Qualitätsmerkmalen war bisher nicht „greifbar“. Eine erste Entwicklung wurde nun vom Spritzgießmaschinenbauer und Automatisierungsexperten Engel, Schwertberg (Österreich), auf der Kunststoffmesse K im Oktober vorgestellt. Vollständig automatisiert wurde dort mit einem Spritzgießwerkzeug des Herstellers Siebenwurst, Dietfurt, ein Lenkstockhalter gefertigt. LKT Erlangen und die Neue Materialien Fürth GmbH haben ihre Erfahrungen in der Verarbeitung von Organoblechen in das Projekt eingebracht. Der Lenkstockhalter besteht aus einer flächigen, hochfesten, formgebenden Komponente, dem Organoblech (vier Lagen Köpergewebe, gebunden in einer PA -Matrix, Hersteller Bond Laminates), und gespritzten Rippen (PA GF von Lanxess, optimiert für geringen Fließwiderstand). Die Basis für die Entwicklung der Fertigungszelle bildet das sogenannte Inmould-Forming (IMF), eine vom LKT entwickelte Prozesskette zur Verarbeitung thermoplastischer Faserverbundhalbzeuge zu Bauteilen mit Versteifungsstrukturen [ ]. Die auf der K gezeigte Fertigungszelle integriert insgesamt sechs Arbeitsschritte: Übergabe, Aufheizen, Vorformen, Umformen, Hinterspritzen und Beschneiden. Im ersten Schritt werden die Organobleche in einem Magazin gestapelt gelagert und von einem Linearroboter an einen Knickarmroboter übergeben. Danach schwenkt

der Knickarmroboter das „Blech“ in eine Infrarotheizstation, in der die thermoplastische Matrix aufgeheizt wird. Die Wärme wird innerhalb der Zykluszeit der Spritzgießmaschine eingebracht, um den Fertigungszyklus nicht zu verlängern. Temperatur und Wellenlängenverteilung der IRStrahler spielen dabei eine große Rolle. Die Strahlung des mittleren IR-Spektrums wird an der Oberfläche absorbiert, während die nahe Infrarotstrahlung tiefer ins Halbzeug eindringt. Sie ist daher bei größeren Wanddicken effektiver. Der Heizzyklus besteht aus Ein- und Ausschaltsequenzen, um das Material möglichst schonend aufzuheizen und die schneller erwärmte Oberfläche thermisch nicht zu schädigen. Die Aufheizung erfolgt wie die Temperaturmessung beidseitig von oben und unten, die dabei erreichte Bruttoheizzeit liegt unter s. Vorformen des Halbzeugs erfolgt direkt im Werkzeug

Aufgrund des hohen Bauteilumformgrads ist ein Vorformschritt erforderlich. Dazu schwenkt der Knickarmroboter das aufgeheizte, weiche Organoblech zwischen die geöffneten Werkzeughälften der Spritzgießmaschine und dreht es in die Vertikale. Ein Greifersystem, das Bestandteil der spritzseitigen Werkzeughälfte ist, hält das Organoblech an dessen Oberkante, während seitlich auf mittlerer Höhe zwei weitere Greifer das Blech in Richtung der Spritzseite ziehen,

Bild: LKT

In sechs Arbeitsschritten hergestellt

Prozessablauf beim FIT-HybridVerfahren IR-Strahler erwärmen die thermoplastischen Laminatdeckschichten (a). Der thermoplastische Kunststoffkern wird zwischen die Deckschichten gespritzt (b). Im Prägehubund Gasinjektionsverfahren (c und d) entsteht aus dem Sandwichelement eine Leichtbaustruktur mit integrierten Funktionselementen.

wodurch dieses zweidimensional vorgeformt wird. Beim Umformen bezweckt das Schließen des Werkzeugs dann die aktive Formgebung. Angelehnt an das IMF-Verfahren wird das Halbzeug nicht in einer gesonderten Presse vorgeformt, sondern direkt im Werkzeug. Nach der erfolgten Umformung wird die Rippenstruktur gespritzt – im Hinterspritzverfahren. Das Organoblech wird vom Rippenmaterial während des Einspritzvorgangs durchströmt. Mikroskopische Aufnahmen der Anbindungsbereiche zeigen die gute stoffschlüssige Verbindung der beiden Hybridkomponenten, wodurch herausragende mechanische Festigkeitswerte erreicht werden. Die Verrippung sorgt für eine ausreichende Steifigkeit und wurde im Vorfeld vom LKT Erlangen topologieoptimiert und zur verbesserten Füllung mit Fließhilfen versehen. Aufgrund der komplizierten Bauteilgeometrie ist ein Beschneiden des Organoblechs nach der Formgebung erforderlich. Der Halbzeugbereich, der nach dem Umformen und Anspritzen über die Werkzeugränder hinausragt und damit außerhalb der Bauteilkontur liegt, wird auf einer Laserstation der Hans von der Heyde GmbH & Co. KG, Hörstel, innerhalb der Fertigungszelle vom Bauteil abgetrennt. Ein Linearroboter nimmt dazu das Bauteil aus dem Werkzeug und legt es auf dem Schiebetisch der Laserstation ab. Auf diesem Tisch ist eine Bauteilhalterung zur definierten, zentrierten Ablage des Lenkstockhalters angebracht. Der Schiebetisch fährt in die geöffnete Laserstation. Dort fährt ein CO2-Laser die Bauteilkontur mit Hilfe eines dreiachsigen Linearroboters ab. Dabei müssen zu kleine Winkel zwischen Laserstrahl und Bauteil vermieden werden. Ein Kippen des Aufnahmetisches kompensiert daher die fehlenden Rotationsachsen des Roboters beim Beschneiden einiger Randbereiche. Das besäumte Bauteil verlässt auf dem Schiebetisch die Laserstation und wird abermals vom Linearroboter aufgenommen, der den Beschnitt vom Lenkstockhalter trennt und beide Teile auf Förderbänder legt. Auf der Kunststoffmesse K 2010 entstanden in der Fertigungszelle hybride, vollthermoplastische, tragende Strukturbauteile. Kennzeichnend für die komplett automatisierte Fertigung ist eine sehr hohe Produktivität. So lag die Zykluszeit bei der Demonstration der Fertigungstechnik, die Engel unter dem Namen Organomelt auf der Messe am Markt eingeführt hat, unter 60 s. Bis zu 50% Gewichtseinsparung verspricht ein Hybridbauteil mit Organoblechverstär-

bild: LKT

produktion

Einbausituation des Lenkstockhalters Der Lenkstockhalter hat die aufgabe, die Lenksäule aufzunehmen. als wichtiges Ver­ bindungselement zwischen Karosserie und Instrumententafel­Querträger sorgt er für eine möglichst steife Verbindung, die das eigenschwingverhalten des Instrumententafel­Querträ­ gers maßgeblich beeinflusst.

kung im Vergleich zu Metall-KunststoffHybriden im Automobil-Frontend des Audi A8 [3]. Wie dieses Projekt zeigt, ist der Einsatz von Organoblechen an sich kein Novum. Ziel der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist es, Prozesse zur wirtschaftlichen Verarbeitung auch hoher Losgrößen verfügbar zu machen. Die mit zunehmender Automatisierung steigende Produktivität ermöglicht die vermehrte Anwendung von Faserverbundkunststoffen und thermoplastischen Hybridbauteilen in Automobilen. Unterböden, Sitzschalen, Rückbankwände, Crashelemente, Türverkleidungen und Kofferraumdeckel – die Anwendungsmöglichkeiten von thermoplastischen Faserverbundhalbzeugen sind vielfältig. Aufbau von Hybridstrukturen wird variantenreicher

Gemeinsam mit den Verarbeitungs- und Anwendungsvorteilen einer thermoplastischen Werkstoffkombination erweitert die gerichtete Endlosfaserverstärkung von Organoblechen die Möglichkeiten beim Aufbau von Hybridstrukturen im Leichtbau. Mit einer Spritzgießmaschine als Kern der automatisierten Prozesskette ist die Kombination verschiedener im Spritzguss etablierter Verarbeitungsverfahren denkbar. Ein vielversprechender Ansatz dazu ist FITHybrid – eine Verfahrenskombination, die bereits vom „Network of Automotive Excellence“ im Zuge des Würzburger Automobilgipfels 2010 ausgezeichnet wurde: Sandwichstrukturen aus thermoplastischen Laminat-Deckschichten und einem gespritz-

ten Kunststoffkern werden im Prägehubund Gasinjektionsverfahren zu funktionsintegrativen Leichtbaustrukturen geformt. Erste, teilweise sehr komplexe Bauteile zeigte die Neue Materialien Fürth GmbH auf der K 2010. Um zukünftige Aufgaben im Leichtbau lösen zu können, werden schon heute hohe Anforderungen an die Automatisierung und Prozesstechnik gestellt. Die erheblichen Anstrengungen diverser Unternehmen und Forschungseinrichtungen tragen bereits Früchte. So ist der Einsatz von Faserverbund- und thermoplastischen Hybridstrukturen nicht mehr ausschließlich auf die Luftfahrttechnik und den Motorsport beschränkt. Immer mehr Automobilmodelle – auch jene der Klein- und Mittelklasse – werden aufgrund der raschen Fortschritte bei der Verfahrensentwicklung verstärkt mit Faserverbundkunststoffen ausgestattet. Ziel dabei ist es, durch Reduktion des Bauteilgewichts entweder die Fahreigenschaften zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu verringern oder die Sicherheit und den Fahrkomfort zu steigern. Literatur [1] Benkel, A.: Kunststoff-Metall-Verbundtechnik auf der Überholspur. In: www.innovationsreport. de, 23. November 2010. [2] Müller, T.: Großserientauglich – Verfahren für die wirtschaftliche Herstellung komplexer Hochleistungsverbunde. Plastverarbeiter 11/07, S. 30–32. [3] Risch, H.: Nutzung von Metall-Kunststoff-Hybrid-Anbauteilen in der Karosseriestruktur des neuen Audi A8. VDI-Tagung „Kunststoffe im Automobilbau“, 17. und 18. März 2010 in Mannheim. VDI Wissensforum GmbH, Düsseldorf. Februar 2011

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Produktion

Faserschonende, schnelle Verarbeitung

Bild: lomold Group

das lFt-stäbchen-Granulat wird schonend plastifiziert und ins werkzeug gespritzt. die Glasfaserlänge in den teilen beträgt 10 bis 50 mm trotz komplexer Bauteilgeometrie und kurzer Zykluszeit.

lFt-Verarbeitung

Wie man komplexe Teile ohne Faserbruch herstellt langglasfaserverstärkte thermoplaste (lFt) sind Konstruktionswerkstoffe, die im lFt-spritzverfahren lomolding ohne viel Faserbruch wirtschaftlich zu technischen teilen mit komplexer Geometrie verarbeitet werden können. das zeigt die Anwendung des Verfahrens bei transportpaletten.

D

peGGy mAlnAti

ie Erhaltung der Faserlänge ist bei der Verarbeitung von Granulat mit Langfaserverstärkung entscheidend, um die erhofften mechanischen Eigenschaften tatsächlich zu erreichen. Das ist bei Glasfaser-Polypropylen der Fall, das damit den Sprung vom Standard- zum technischen Kunststoff geschafft hat. Peggy Malnati ist als Fachjournalistin im Bereich Composites für die US-Branchenzeitschriften HighPerformance Composites und Composites Technology tätig 16

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In den beiden vergangenen Jahrzehnten wurde in der Kunststoffverarbeitung viel Aufwand betrieben, um eine Faserverkürzung beim Plastifizieren und Einspritzen ins Werkzeug zu vermeiden. Die Ergebnisse spiegeln sich in den Verbesserungen beim Spritzgießen und Formpressen wider, die einen Trend von kurzglasfaser- zu langglasfaserverstärkten Thermoplasten (LFT) einläuteten. So wurde das Compounding beim Verarbeiter in die Materialaufbereitung integriert. Das Inline-Compounding zur Aufbereitung von LFT-Stäbchen-Granulat ist

heute dem Spritzgießen oder Formpressen direkt vorgeschaltet. Zeitgleich dazu fand eine Entwicklung zur indirekten Herstellung glasfaserverstärkter Kunststoffteile statt: über Platten aus glasmattenverstärktem Thermoplast (GMT), die unter Wärme umgeformt werden. Anfangs bestanden die Glasmatten aus Wirrfasern. Trotz guter mechanischer Eigenschaften wurde damit jedoch eine unzureichende Penetration bei tiefen Bauteilen mit komplexer Geometrie erreicht, beispielsweise bei Rippen und Knäufen. Später kamen Glasfa-

PRODUKTION

sermatten mit Schnittglasfasern auf den Markt: mit unidirektionalen Fasern und/ oder Glasfasergelegen. Das erhöhte die Bauteilsteifigkeit. Trotz der werkstofflichen Verbesserungen sind heute jedoch immer noch Kompromisse erforderlich: hinsichtlich Bauteilauslegung, Bauteilkosten und Bauteileigenschaften. Herstellung komplexer Großteile mit typischen Spritzgießmerkmalen

a

Hohe Qualität und Wirtschaftlichkeit demonstrierte das LFTSpritzverfahren bei der Herstellung einteiliger Transportpaletten aus Glasfaser-Propylen. Die Paletten haben typische Spritzgießmerkmale trotz einer Zykluszeit von lediglich 70 s.

b

Das modifizierte LFT-Spritzverfahren Lomolding, das bei der südafrikanischen Lomold Group, Kapstadt, für die Herstellung von Großteilen aus Glasfaser-Polypropylen und anderen LFT-Verbunden zur Anwendung kommt, verspricht die Einschränkungen zu überwinden. Nach zehnjähriger Entwicklungszeit stellt das Verfahren in hoher Geschwindigkeit große, geometrisch hochkomplexe Teile her – mit den für das Spritzgießen typischen Merkmalen. Trotzdem bleiben die beim Formpressen erreichten Faserlängen von bis mm erhalten. Im Gegensatz dazu liegen die Faserlängen beim Spritzgießen von LFT-Teilen bei bis mm. Schlagfestigkeit ist höher als bei Polypropylen mit Kurzfasern

Das Verfahren erzeugt daher Bauteile mit besseren mechanischen Eigenschaften als das Spritzgießen. Im Vergleich zum Formpressen sind die Teile dünnwandiger und leichter. Dadurch erschließt sich ein Potenzial zur Kostenreduzierung. Weil die ursprüngliche Faserlänge besser erhalten bleibt, wird die bei Kurzglasfaser-Polypro-

Bild: Lomold Group

Die Verarbeitung von Kunststoffgranulat mit Kurz- oder Langglasfasern im Spritzgießverfahren führt zu kurzen Zykluszeiten und einer qualitativ hohen Reproduzierbarkeit. Außerdem ermöglicht sie, komplexe dreidimensionale Kunststoffteile herzustellen. Jedoch begrenzt der Einspritzvorgang die erreichbare Faserlänge. In den Einspritzkanälen kommt es zu Scherkräften, Abrieb und Faserbruch. Darüber hinaus ist aufgrund der Werkzeugkosten eine bestimmte Produktionsmenge erforderlich. Das Spritzgießen wird als typisches Verfahren für Großserienteile angesehen. Anders verhält es sich beim D-LFT-Verfahren: dem Direct Long-Fiber Thermoplastic Compounding and Molding, das wie die GMT-Verarbeitung weniger Faserbruch verursacht, weil die Schmelze weniger in Fluss ist und nicht durch enge Werkzeugkanäle gedrückt wird. Außerdem ist aufgrund der niedrigeren Werkzeugkosten die Herstellung größerer Kunststoffteile wirtschaftlicher. Wie die GMT-Verarbeitung ist auch das DLFT-Verfahren für die Halbautomatisierung und damit für kleinere Stückzahlen geeignet – und für das Einbringen von unidirektionalen Glasfasern in die Charge direkt vor der Werkzeugfüllung. Jedoch ist die Herstellung von Bauteilen mit komplexer Geometrie im Gegensatz zum Spritzgießen nicht möglich. So verhindert die Bildung von Glasfaserbrücken bei Rippentiefen über mm die nötige Faserpenetration. Das Erzeugen von Durchbrüchen ist nicht möglich. Hat das Presswerkzeug keine Schneidkanten, benötigen die Teile auch noch einen Randbeschnitt. Bei der Herstellung und Umformung von GMT-Platten wird die ursprüngliche Faserlänge am besten erhalten. Deshalb haben Glasfaser-Polypropylen-Teile, die aus GMTPlatten entstehen, die besten mechanischen Eigenschaften. Jedoch schränkt die Verarbeitung von Halbzeugen die Bauteilgeometrie ein. Auch können GMT-Platten teuerer als LFT- und D-LFT-Materialien sein. Nur bei technischer Erfordernis sind Endkunden in der Regel bereit, einen Aufpreis bei Werkstoffen zu zahlen.

Bild: Lomold Group

Demonstration des Verfahrens

Langfasern in komplexen Teilen Das Spritzverfahren Lomolding ermöglicht die Herstellung von LFT-Teilen mit Faserlängen, die in der Regel nur beim Formpressen möglich sind. Im Gegensatz zum Pressen können damit jedoch Bauteile mit komplexer Geometrie hergestellt werden.

pylen üblicherweise eher schwache Schlagfestigkeit bei niedrigen Temperaturen erhöht. Positive Auswirkungen hat das Verfahren auch auf die Maßstabilität, das Kriechund Ermüdungsverhalten sowie auf die mechanischen Eigenschaften bei höheren Temperaturen. Es verspricht eine höhere Qualität bei hoher Wirtschaftlichkeit. Bei diesem Verfahren kommen mehrere Vorteile des Spritzgießens zum Tragen: Es ist automatisiert, ermöglicht kurze Zykluszeiten und sorgt für eine qualitativ hohe Reproduzierbarkeit. Wie Lomold-Gründer und -CEO Pieter du Toit im Rahmen einer Präsentation deutlich macht, handelt es sich bei der Anlage um ein Closed-Mold-System, weshalb das Thermoplast als verarbeitbare Masse nie der Luft ausgesetzt wird – im Gegensatz zum D-LFT-Verfahren und der GMT-Verarbeitung. Beim D-LFT-Verfahren werden die Chargen aus der ILC-Anlage genommen. Bei der GMT-Verarbeitung werden die aufgeheizten Platten vom Ofen zum Werkzeug transportiert. Aufgrund des Closed-Mold-Prinzips ist die Verarbeitung hydroskopischer Matrixkunststoffe wie Nylon und thermoplastisches Polyester unproblematisch. Außerdem gibt es keinerlei Schwierigkeiten, tiefe Rippen, Durchbrüche und geometrisch komplexe Oberflächen zu erzeugen. Auf eine mechanische Nachbearbeitung der Teile kann verzichtet werden. Wie beim Formpressen ist für die Formgebung der Teile nur ein niedriger Druck erforderlich. Das vereinfacht den Werkzeugbau im Vergleich zu Spritzgießformen. Eine Werkzeugentlüftung verhindert den Einschluss von Gasen und somit die Gefahr einer partiellen Porosität oder einer schlagartigen Kunststoffoxidation. Der Einspritzvorgang des Verfahrens unterscheidet sich von dem beim ThermoplastSpritzgießen. Ein großer Kolben mit bis zu mm Durchmesser drückt die Schmelze FEBRUAR 2011

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Produktion

Bild: lomold Group

Beim lFt-spritzverfahren lomolding wird das Granulat eingezogen und schonend plastifiziert. ein dosierkolben holt die einzuspritzende masse ab. er fördert sie zum einspritzkolben, der das werkzeug füllt.

Bild: lomold Group

Schritt 1:

Schritt 4:

Bild: lomold Group

Bild: lomold Group

der Kolben im einspritzzylinder drückt die lFt-masse ins werkzeug und verschließt die Kavität. dabei wird vom Kolben ein Firmenlabel in die Bauteiloberfläche geprägt, um den Kolbenabdruck zu kaschieren.

ein roboter nimmt die fertige palette aus dem werkzeug. die Auswerferstifte sind ausgefahren. die einteilige palette mit 122 cm × 102 cm Größe und 16 kg Gewicht wird mit der Geschwindigkeit einer spritzgießmaschine hergestellt.

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Bild: lomold Group

Schritt 5:

einfahrbare Holme erleichtern den wechsel von Großwerkzeugen erheblich. das werkzeug zur palettenherstellung wiegt 25 t. die werkzeugkavität hat nur einen Anspritzpunkt und kommt ohne Heißkanaltechnik aus.

Bild: lomold Group

Schritt 2:

Schritt 3:

Schritt 6:

Vor dem nächsten einspritzvorgang wird die Kavität mit einem entformungsspray eingesprüht. das erleichtert die entnahme der lFt-paletten aus dem werkzeug. der Aufwand für reinigung und wartung des werkzeugs ist reduziert.

der roboter legt die lFt-paletten auf ein Förderband, auf dem sie während des transports abkühlen. Bevor die paletten verpackt und verschifft werden, lässt man sie auf einem stellplatz endgültig erkalten.

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Abdruck des Einspritzkolbens für das „Branding“ genutzt

Außerdem beschleunigen die langen Glasfasern die Wärmeabführung aus dem Bauteilinnern. Weil nur ein Anspritzpunkt erforderlich ist, entstehen weniger Bindenähte. Den einzigen Verfahrensnachteil sieht Lomold-CEO Du Toit darin, dass die Anspritzung – der Kolben – einen deutlichen Abdruck hinterlässt im Gegensatz zum herkömmlichen Spritzgießen. Dieser ästhetische Nachteil wurde jedoch für das Marketing ausgenutzt, indem der Kolben den Buchstaben „L” in die Bauteiloberfläche drückt – was für die Lomold Group eine ähnliche Rolle wie „Intel Inside“ für Intel spielt. Bei den meisten Anwendungen erwartet Du Toit, dass damit LFT-Teile mit Glasfaserverstärkung hergestellt werden. Jedoch lassen sich auch Holzmehl, Carbon- und Naturfasern verwenden. Möglich macht das die gute Temperaturkontrolle und die Vermeidung unnötiger Schmelzeerwärmung. Zur Demonstration des Verfahrens fiel die Entscheidung auf Glasfaser-Polypropylen zur Herstellung von Transportpaletten, die selbst konstruiert wurden. Die Paletten bestehen zu 21 Vol.-% aus Glasfasern. Sie haben ein komplexes Design mit Rippenmuster. Aufgrund des Aufbaus und des Designs ergeben sich Möglichkeiten, bekannte Nachteile kon-

Kolben statt Schubschnecke:

bild: Lomold Group

ins Werkzeug. Dabei hängt das Schussvolumen stärker vom Durchmesser des Kolbens ab als von dessen Hub. Der zeitliche Anteil des Füllvorgangs am Gesamtzyklus ist niedrig. So können 16 kg LFT in 7 s ins Werkzeug gespritzt werden. Das ist 60% schneller bei gleicher Menge als ein konventioneller Einspritzvorgang auf Spritzgießmaschinen. Außerdem wäre dazu eine Spritzgießform mit Heißkanaltechnik und mindestens acht Anspritzpunkten erforderlich. Die Werkzeugfüllung erfolgt bei 500 bis 700 bar. Aufgrund der niedrigen Fließgeschwindigkeit, die nur ein Zwanzigstel der beim konventionellen Spritzgießen benötigten Werte beträgt, ist die Scherkraft in der Schmelze deutlich reduziert. All das trägt zur Verhinderung von Faserbruch, zur Reduzierung der Schererwärmung und des Risikos eines Bauteilverzugs bei. Am Ende des Hubs verschließt der Kolben die Kavität. Während der Halte- und Nachdruckphase bereitet ein zweiter Kolben die nächste Menge für den Einspritzvorgang vor. So entsteht kein Zeitverlust zwischen der Teileentnahme und der nächsten Werkzeugfüllung. Obwohl auf Heißkanaltechnik verzichtet wird, fallen keine Angüsse an, die zu entfernen sind.

bild: Lomold Group

Produktion

Mehr Ladung senkt Kosten LFT-Paletten, die im Spritzverfahren Lomolding hergestellt werden, lassen sich mit mehr als 4 t statisch belasten. Die Schlagfestigkeit des Composites beträgt 2,03 J/cm und die Zugfestigkeit 88 MPa.

ventioneller Kunststoff-, Metall- und Faserverbundpaletten zu vermeiden. Gerade die Substitution von Holzpaletten ist zwingend erforderlich: Holz ist ein Nährboden für Insekten und Bakterien. Holzpaletten müssen daher im globalen Warenverkehr teuer begast oder hitzebehandelt werden. Kunststoff- und Faserverbundpaletten sind dagegen vor Schädlingen sicher. Außerdem spricht für Paletten aus Composites die bessere Nachhaltigkeit: Aus einem Baum werden im Durchschnitt 6,4 Paletten gefertigt, davon viele nur einmal benutzt und danach verbrannt oder auf einer Deponie entsorgt. Ihre Lebensdauer beträgt drei bis vier Jahre. Im Gegensatz dazu sind Paletten aus Composites zehn Jahre im Umlauf. Jedoch haben sie einen höheren Preis. Der Marktdurchbruch steht daher noch aus. Ähnlichkeiten zum Spritzgießen bei der Granulataufbereitung

Du Toit ist sich sicher, dass dieses Verfahren die preisliche Hürde zu überwindet. Die einteilige Palette mit 122 cm × 102 cm Größe und 16 kg Gewicht kann mit der Geschwindigkeit einer Spritzgießmaschine hergestellt werden. Die Schlagfestigkeit des Composites beträgt 2,03 J/cm und die Zugfestigkeit 88 MPa. Die Palette trägt eine Ladung von über 2750 kg. Die Komprimierung beträgt dabei weniger als 10 mm. Bei statischer Belastung kann die Last sogar über 4 t liegen.

Dosierkolben und einspritzkolben ersetzen den Schneckenhub und die Heißkanaltechnik beim Spritzgießen. Der Dosierkolben holt die plastifizierte Masse und drückt sie in den einspritzzylinder. Der einspritzkolben presst die Masse ins Werkzeug.

Der Beginn der Palettenherstellung ähnelt dem des Spritzgießens. Ein Niedrigscherkraftextruder bereitet das Langfaser-Polypropylen-Granulat für die Kolbeneinspritzung auf. Nach dem Plastifizieren holt der Dosierkolben die einzuspritzende Menge ab. Er fördert sie zum zweiten Kolben, der damit dann das geschlossene, 25 t schwere Werkzeug füllt. Der Gesamtzyklus dauert 70 s. Die entformten, abgekühlten Paletten können ohne mechanische Nachbearbeitung zum Verschiffen verpackt werden. Zusätzliche Funktionselemente, zum Beispiel Schlitze für RFID-Chips, lassen sich bei der Formgebung integrieren. Ein vollständiges Recycling ist möglich. Auf der JEC Show 2010 erhielt die Lomold-Group für diese Palette einen Innovation Award in der Kategorie Förderung. Knapp ein Jahr später soll die Palettenproduktion am chinesischen Standort Huzhou anlaufen. Die Herstellung wird dort ein-, aber auch mehrteilige Paletten umfassen, die man in der Zwischenzeit entwickelt hat. Diese Palette ist leichter und hat einen noch höheren Glasfaseranteil für noch größere Lasten, was bei Anwendern zu Kostenersparnissen führt. Weitere Anlageninstallationen sind auf Malta, in Südafrika und den USA geplant. Als weitere mögliche Produkte wurden Druckbehälter und Fahrzeugkomponenten ins Visier genommen. Die Anlagen für die ein- und mehrteiligen Paletten werden von der taiwanesischen Chuan Lih Fa Machinery Works Co. Ltd., Tainan, gebaut, sie können einen herkömmlichen Einschneckenextruder zur Plastifizierung (LFT-Granulat) oder einen Zweischeckenextruder für die Inline-Compoundierung (D-LFT) enthalten. Lizenzproduktion ist möglich. ■ Februar 2011

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Produktion

Bild: Karl reque

Trennung der Vakuumhauptfunktionen das Absaugen und extrahieren flüchtiger stoffe wie luft, Feuchtigkeit und lösemittel findet in der inneren Folienkammer statt. Für die materialverdichtung und -fixierung in der Form ist die äußere Folienkammer verantwortlich.

Vakuuminjektion

Doppelkammertechnik erhöht den Faseranteil wird bei der Vakuuminjektion mit einer doppelkammerfolie gearbeitet, ist es möglich, den reproduzierbaren Fasergehalt in Bauteilen aus composites auf 60 bis 70 Vol.-% zu steigern und die Harzverteilung zu verbessern. Ausschlaggebend dafür ist die räumliche trennung der Vakuumfunktionen.

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GinGer GArdiner

ei der Festigkeits- und Gewichtsoptimierung von Bauteilen, die im Vakuuminjektionsverfahren hergestellt werden, stößt man immer wieder an Grenzen. Ein wesentlicher Grund für die Begrenzung des Fasergehalts, der die Bauteilfestigkeit steigert und das Bauteilgewicht reduziert, ist der Unterdruck zwischen der Vakuumfolie und der Form. Bei Abdeckung des Vorformlings mit einfacher Vakuumfolie ist die Ansaugung des Harzes nicht stark genug. So wurden DopGinger Gardiner ist als freie Fachjournalistin für die US-Zeitschriften High-Performance Composites und Composites Technology tätig 20

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MM c o m p o s i t e s w o r l d

pelkammerfolien entwickelt, um die Hauptfunktionen des Vakuums zu trennen: Das Absaugen und Extrahieren flüchtiger Stoffe, wie Luft, Feuchtigkeit und Lösemittel, findet in der inneren Kammer statt. Für die Materialverdichtung und -fixierung in der Form ist die äußere Kammer verantwortlich. In den achtziger Jahren wurden Doppelkammerfolien im Bereich Composites erstmals verwendet: zur Reduzierung von Porosität und Verbesserung mechanischer Eigenschaften bei Reparaturarbeiten. Später stießen die Folien bei der US-Raumfahrtbehörde Nasa und dem US-Flugzeugbauer Boeing auf Interesse. Sie optimierten damit das sogenannte Vartim-Verfahren (vacuum-assis-

ted resin transfer molding) und die Harzinjektion. Seitdem entsprechen Bauteile aus Composites, die im Autoklaven ausgehärtet werden, der Qualität in der Luft- und Raumfahrttechnik. Unabhängig davon testete Russel Emanis die Doppelkammertechnik bei der Harzinjektion vor gut 15 Jahren. Aufgrund der positiven Ergebnisse entwickelte der damalige Leiter Composites-Prozesse beim US-Konzern Lockheed Martin Aeronautics in Forth Worth/Texas eine eigene Prozesstechnik. Damit stellen heute USZulieferer wie Sybo Composites in St. Augustine/Florida und Air Command International in Caddo Mills/Texas Bauteile her, die leichter und dennoch belastbarer sind als die

Produktion

Produkte der herkömmlichen Vakuuminjektion.

Der Clou dieser Entwicklung liegt darin, die beiden Vakuumkammern so einzusetzen, dass die innere am Vorformling anliegt und die äußere die Form hermetisch abdichtet und umschließt. Von da an gibt es Unterschiede in den Prozessen je nach Anwender. Weit verbreitet ist heute jedoch die Technik, die Emanis „venting layer“ (Entlüftungsschicht) nennt. Damit werden die innere und äußere Kammer auf Abstand gehalten. „Ist das nicht der Fall, verhalten sie sich wie ein einfacher Vakuumbeutel“, erläutert Emanis, der heute regionaler Vertriebsleiter beim kanadischen Maschinen- und Komponentenhersteller JB Martin in St. Jean sur Richelieu/Quebec ist. Die eingesetzten Mittel zur Abstandshaltung sind sehr unterschiedlich. Sie reichen von festen Gitterstrukturen bis zu flexiblen durchlässigen Materialien. Unterschiedliche Ansichten gibt es auch bei der Stärke und der zeitlichen Steuerung des Vakuums. Das Wichtigste bleibt jedoch laut Emanis, die Funktionen der Vakuumkammern zu trennen. Emanis’ Doppelkammertechnik wurde entwickelt, als der damalige Leiter Composites-Prozesse bei Lockheed Martin an der Reduzierung des manuellen Arbeitsaufwands und damit an der Kostensenkung der Harzinjektion arbeitete. Seine ersten Schritte in dieser Richtung erfolgten jedoch außerhalb des Konzerns: bei der Herstellung kleiner Schalen aus Composites für das Satelli-

bild: Sybo Composites

Unterschiedliche Materialien halten beide Folien auf Abstand

Bootsrumpf mit 5,5 m Länge Die Folie mit Injektionsanschluss für die innere Vakuumkammer ist schon platziert. Die äußere Vakuumkammer wird vorbereitet.

tenfernsehen im Unternehmen seiner Frau: „Wir suchten einen RTM-Prozess, der das Material ausreichend verdichtete, um die nötige Steifigkeit und Wirtschaftlichkeit zu erhalten“, erklärt Emanis. Erst im zweiten Anlauf gelang es ihm, das gewünschte Vakuum zu erzeugen. Dadurch erreichte der Außendruck einen ausreichend hohen Wert, um überflüssiges Harz aus der inneren Kammer mit dem Vorformling zu quetschen. Einzigartig am Emanis-Prozess ist, dass dieser mit zwei unterschiedlichen Vakuumstärken arbeitet. Der Unterdruck in der inneren Kammer wird in Abhängigkeit vom Material und Injektionsablauf so festgelegt, dass ein optimaler Harzfluss entsteht. Der Unterdruck im äußeren Beutel sorgt durch

Verdichten für den gewünschten Faservolumenanteil; und zwar dann, wenn die Harzinjizierung beendet ist. Anschließend wird das Zufuhrventil geschlossen und ein zweites, weiter vorn eingebautes Ventil geöffnet, damit das überflüssige Harz bei steigender Materialverdichtung hinausfließen kann. Bei Anwendung dieses Prozesses, sagt Emanis, werde ein Faseranteil bis etwa 70 Vol.-% erreicht. Gewicht eines Strukturteils um nahezu die Hälfte reduziert

Der Erfolg der Doppelkammertechnik zeigt sich bei der Herstellung eines Funktionskastens aus Composites für militärische Anwendungen. Dem US-Zulieferer Air Command

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ern! d r o f n a t Jetz Fordern Sie jetzt die Mediadaten 2011 von MM MaschinenMarkt an: Winfried Burkard Telefon +49 931 418-2686 [email protected] ---> www.maschinenmarkt.de/media/mediadaten www.vogel.de

Februar 2011

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Bild: sybo composites

Produktion

Vakuumerzeugung in den Kammern

Konstantes Vakuumniveau unterbindet Strömungseffekte

Bild: sybo composites

Nach der positionierung der äußeren Folie wird ein Vakuum in beiden Kammern erzeugt. Bei diesem Bootsrumpf wird ein Unterdruck unter 643 mbar angestrebt.

Hermetisch dicht Um ein Vakuum von 643 mbar zu erzeugen, ist eine hermetische Abdichtung der Kammern erforderlich, auch an problematischen stellen.

International (ACI), Caddo Mills/Texas, ist es dabei gelungen, bei Einhaltung der Festigkeits- und Steifigkeitsspezifikationen das geforderte Gewicht um fast 50% zu unterbieten. Das hergestellte Strukturteil wiegt nur noch 2,9 kg, der Kunde hatte das Maximalgewicht auf 5,3 kg limitiert. Die Kastenwände haben einen Sandwichaufbau. Außen bestehen sie aus CFK, im Innern haben sie einen geschäumten Kern. Für die Außenschichten aus Composites wurde ein neu entwickeltes Epoxidharz des US-amerikanischen Herstellers Endurance Technologies, St. Paul/Minnesota, verwendet. Der Kasten bestand sowohl Falltests im leeren als auch im gefüllten Zustand. So wurde er mit 16 kg 22

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Fülllast aus 1,2 m Höhe fallen gelassen. Der Kasten blieb unbeschädigt. ACI nutzt den Prozess meist für kleinere Teile aus Composites (unter 1,2 m × 2,4 m). Dagegen stellt der US-amerikanische Bootsbauer Sybo Composites damit Großteile her: 5,5 m lange Bootsrümpfe. Der Wechsel zur Doppelkammertechnik hat den Tiefgang der Boote vom Typ Islamorada reduziert, die der US-amerikanische Hersteller Chittum Skiffs, Fort Lauderdale/Florida für Gewässer mit Untiefen baut. Zuvor hatten die Rümpfe von Sybo ein Gewicht von 145 kg. Durch Kernoptimierung und Materialwechsel sank es auf 127 kg. „Die Doppelkammertechnik hat das Gewicht weiter auf 118 kg reduziert, oh-

ne dass auf funktionskritische Materialien verzichtet werden musste“, sagt Sybo-CEO Dana Greenwood. Für den Zulieferer Sybo war entscheidend, dass Druckkissen aus Silikonkautschuk zwischen der inneren und äußeren Folie platziert werden konnten. Sie ermöglichen, Druck auf die Stellen auszuüben, an denen sich bevorzugt „Harzteiche“ bilden. Dennoch mahnt Greenwood zur Vorsicht: „Wir bleiben bei einem Vakuumbereich unter 643 mbar, um ein Ausgasen von Harz zu vermeiden.“ Seine Erfahrung ist, dass bei diesem Druckniveau das hoch styrolierte Harz eine Tendenz zur Blasenbildung zeigt. Die Ursache dafür liegt im Ausgasen des Harzes. Das Arbeiten mit zwei Vakuumkammern reduziert dieses Risiko.

Eine typische Harzinjektion mit Doppelkammertechnik zur Herstellung eines 6,5 m langen Bootsrumpfes breitet sich vom Kiel ausgehend aus. Vertikale Zufuhrleitungen sichern die Harzdurchdringung bis zu den äußersten Rändern. „Häufig erhält man bei der konventionellen Harzinjektion ein harzreiches Laminat am Boden“, erläutert Emanis, „mit zunehmender Rumpfhöhe wird es am oberen Ende immer trockener.“ Ähnlich konträr verhält es sich zwischen Faserverdichtung und Harzdurchdringung. Je höher der lokale Harzvolumenanteil, desto niedriger ist der Außendruck und damit das Vakuum. Emanis versichert, dass bei konventioneller Technik trotz Vollvakuum der Druckunterschied bis zu 508 mbar über eine Länge von 1,2 m betragen kann. Er ist überzeugt, dass die Doppelkammertechnik dieses Problem lösen kann, weil keine Strömungseffekte in der äußeren Kammer zu erwarten sind. Generell wichtig ist laut Emanis, dass bei Anwendung der Harzinjektion nicht nur auf die Prozessparameter, sondern auch auf die Umgebungsbedingungen geachtet wird. So sind sich wenige Anwender darüber im Klaren, dass eine Änderung des Atmosphärendrucks im Raum zu anderen Injektionsergebnissen führen kann. Der Schüssel dafür liegt nach Angaben von Emanis darin, den durchschnittlichen Umgebungsdruck zu ermitteln und bei der Materialfestlegung und Prozessoptimierung zu berücksichtigen: Ein Unterschied von 15 mbar könne bereits den Faservolumenanteil beeinträchtigen. Weitere Einflussfaktoren sind die Umgebungstemperatur, die Luftfeuchtigkeit und jeglicher Temperaturunterschied zwischen Harz und Werkzeug. ■

PRODUKTION

Kunststoffzerspanung

Composite-Werkstoffen die Zähne gezeigt Neue Werkzeuglösungen zum Bohren und Fräsen von Kunststoffen und CompositeMaterialien verhindern Delamination und steigern die Oberflächenqualität.

Mit PKD bestückt Mehrstufiges Bohrwerkzeug Countersink Drill zur One-Shot-Bearbeitung.

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DIETHARD THOMAS

Dr. Diethard Thomas ist Leiter LMT Akademie und Öffentlichkeitsarbeit bei der LMT GmbH & Co. KG in 21493 Schwarzenbek, Tel. (0 41 51) 12-4 24, Fax (0 41 51) 12-7 74 24, [email protected]

Gegenläufiger Drall Der Fräser Compression Mill verhindert Delamination bei Bearbeiten von Composite-Werkstoffen.

Bilder: LMT

m Zusammenhang mit der stark voranschreitenden Nutzung von Leichtbauwerkstoffen bauwerkstoff en kommt den Kunststoff Kunststoffen en oder kunststoffb kunststoffbaasierten Werkstoffen Werkstoffen wie Composites eine stark wachsende Bedeutung zu. Dabei werden auch bisher favorisierte Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium zunehmend verdrängt. Als die Boeing im Jahr zu ihrem Erstflug abhob, betrug der Aluminiumanteil % und der CFKAnteil %. Beim neuen Modell Dreamliner haben sich die Verhältnisse schon deutlich verschoben: Nur noch % Aluminium und bereits % CFK. Zwischenzeitlich haben sich die Composite-Materialien auch in anderen relevanten Industriebereichen etabliert, zum Beispiel dem Fahrzeugbau, der Windenergietechnik, der Medizintechnik und der Konsumgüterindustrie. Die prozesssichere und leistungsstarke Zerspanung dieser neuen Werkstoffe ist zu einer großen Herausforderung für die Werkzeughersteller geworden. Die zur LMT-Gruppe gehörenden Firmen Belin und Onsrud entwickeln und fertigen bereits seit Jahren Werkzeuge für Plastics und Composites. Viele Kunststoffe sind stark abrasiv, faserig und temperaturempfindlich und stellen ganz neue Anforderungen an eine effektive Zerspanung. Kunststoffverbundwerkstoffe, die aus verschiedenartigen Komponenten bestehen, fordern ebenfalls spezifische Werkzeuglösungen, die sich von der Metallzerspanung deutlich unterscheiden. Speziell zur Bohrungsfeinbearbeitung von CFK-Stacks, das sind übereinander liegende

Kantenbearbeitung Die markante Schneidenausführung des Fräsers steigert die Oberflächenqualität.

Schichten von CFK, teilweise kombiniert mit metallischen Werkstoffen, hat LMT Belin ein sehr produktives Werkzeug entwickelt: den Countersink Drill (Bild ). Dabei handelt es sich um ein mehrstufiges Bohrwerkzeug: Auf die erste Bohrstufe mit großem Freiwinkel folgt eine Aufbohr- oder Reibstufe und schließlich eine Stufe zum Ansenken der Bohrung. Die Werkzeuge sind mit PKD bestückt oder diamantbeschichtet. Der große Vorteil dieser innovativen Werkzeuge besteht in der delaminationsfreien und multifunktionalen Werkstückbearbeitung. Das

Ziel der One-Shot-Bearbeitung wurde erreicht: Bohren, Aufbohren/Reiben Aufbohren/Reiben und Senken mit einem einzigen Werkzeug. LMT Onsrud hat spezielle Werkzeuge Composite-Werkstoffen zum Fräsen von Composite-Werkstoff en entwickelt. Für CFK-Laminate ist zum Beispiel der Compression Mill sehr gut geeignet (Bild ). Sein gegenläufiger Drall verhindert Delamination und unsaubere Schnittkanten in den Randschichten. Interessant ist auch eine andere Fräserausführung zur Kanten- und Nutenbearbeitung von Composite-Werkstoffen: der HPC Router (Bild ). Kleine, wechselseitige Fräszähne mit positiven Spanwinkeln erzeugen hervorragende Oberflächen. Eine spezielle Stirngeometrie erlaubt das problemlose Eintauchen in Kunststoffmaterialien. Diese Werkzeuge von LMT Onsrud können sowohl handgeführt als auch auf CNCWerkzeugmaschinen eingesetzt werden. Verfügbar sind sie in zwei Beschichtungsvarianten: AlTiN-Beschichtung und CVDDiamantbeschichtung. Die Diamantbeschichtung ermöglicht besonders hohe Schnittgeschwindigkeiten auf CNC-Maschinen und steigert die Standzeit um den Faktor zehn. Für absolut polierte Oberflächenkonturen sorgt der neue Kugelkopierfräser von LMT Onsrud. Er findet zum Beispiel Anwendung beim Fräsen von Kunststoffeinlagen, die die Reibung in künstlichen Kniegelenken vermeiden sollen. Herkömmliche Poliermittel rauen die Oberfläche dieser Kunststoffe auf und sind daher ungeeignet. Außerdem erfordern sie einen zweiten Arbeitsgang. Der neue Kugelkopierfräser dagegen schafft die hochqualitative Bearbeitung in einem einzigen Durchgang. Sein Geheimnis: Er selbst besitzt absolut polierte Oberflächen und feinste Mikroschneidengeometrie. ■ NOVEMBER 2010

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produktion

Konzentration auf das Wesentliche

Bild: Hoffmann

eine auffällige Fahrzeug­ architektur, moderne Hightech­ materialien sowie hohe präzision bei der Fertigung kennzeichnen den leichtbau­ roadster.

leichtbau

Mit Spezialwerkzeugen entsteht Carbon-Chassis Verbundwerkstoffen gehört die Zukunft. ein zweisitziger roadster hat ein chassis in leichtbauweise mit einer tragenden Fahrgastzelle aus cFK. dessen Zerspanung stellt die werkzeuge vor hohe Herausforderungen.

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cHristian Freitag

as Ziel war ein Auto in Leichtbauweise: Gemeinsam fertigen die Stangl & Co. Präzisionstechnik und die Roding Automobile GmbH einen Roadster mit Carbon-Chassis in Kleinserie. Das Besondere daran: Während Vorder- und Hinterwagen in Aluminium-Spaceframe-Bauweise ausgeführt werden, besteChristian Freitag ist Markenmanager bei der Hoffmann GmbH in 81241 München, Tel./Fax (0 89) 83 91-3 13, [email protected] 24

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hen die gesamte tragende Fahrgastzelle sowie die Verkleidungsteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dessen Vorteile sind hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und Korrosionsbeständigkeit. „Das Leichtbaukonzept mit einem Fahrzeuggewicht von unter 950 kg in Verbindung mit einer starken Motorisierung verschafft dem Fahrzeug ein Leistungsgewichtsverhältnis von weniger als 3 kg pro PS“, erzählt Georg Käsmeier, Geschäftsführer von Roding Automobile. Die

komplette Fertigung der Vorserienprototypen und der Serie ab 2011 wird gemeinsam mit Stangl & Co. am Standort Roding durchgeführt. Die größte Herausforderung lag in der Bearbeitung und Zerspanung des schwierigen Werkstoffes. „Die Besonderheit an CFK ist, dass das Material erst bei der Herstellung des Bauteils entsteht – im Gegensatz zu Blech, wo das Teil nur noch in Form zu bringen ist”, erklärt Stefan Kulzer, Geschäftsführer bei Stangl & Co. „Bei Carbon werden

bild: Hoffmann

Zerspanen in zwei Minuten

Die CFK-radabdeckung wird im NullpunktSpannsystem Zero-Clamp für die Fünfachs-bearbeitung gespannt.

Der diamantbeschichtete Vollhartmetall-Spezialbohrer mit zylindrischem Schaft verhindert Delamination und Gratbildung.

bild: Hoffmann

Spannen im Vakuum

Ränder beim Rohstück entfernen Der Garant-routerfräser beim besäumen eines stark abrasiven Carbon-bauteils.

bild: Hoffmann

trockene Fasern in eine Form eingelegt und mit Harz kombiniert. Bauteil und Werkstoff entstehen somit zum gleichen Zeitpunkt. Kein Verfahren aus dem Metallbereich lässt sich auf das Carbonteil übertragen.“ Das hochfeste und steife Material ist sehr abrasiv und zerstört Werkzeugschneiden sehr schnell. Da es sich um einen Verbundwerkstoff aus zwei Komponenten handelt, sind die spezifischen Eigenschaften beider Stoffe zu beachten. Wird zum Beispiel eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit gewählt, verschmelzen die Harze mit den Spänen. Zusätzlich kommt es beim Bohren schnell zu Delamination oder Gratbildung. Aus diesen Gründen sind die Anforderungen an die Werkzeuge sehr hoch. Alle Leichtbauteile des Roadsters werden mit Garant-Spezialwerkzeugen der Hoffmann Group zerspant, zumeist aus der Schwarz-Ring-Serie, die speziell für CFK-, GFK- und Graphit-Werkstoffe entwickelt worden sind. Unterschiedliche Fräswerkzeuge mit HochleistungsKreuzverzahnung verhindern einen schnellen Verschleiß. Um freistehende Ränder der Werkstücke sauber besäumen zu können, benötigt man Werkzeuge mit großem Zerspanvolumen, die wenige Radialkräfte und große Stabilität aufweisen. Die CFK-Teile, beispielsweise die Radabdeckung der freistehenden Räder, werden auf dem Nullpunkt-Spannsystem GarantZero-Clamp im Vakuum gespannt. Dort ist ein Downcut-Werkzeug von Vorteil, welches das CFK-Formteil in die Vakuumform drückt und nicht abhebt. „Gleichzeitig dürfen nur sehr wenige radiale Schnittkräfte auf das Bauteil einwirken, damit es beim Zerspanen nicht unter Spannung gerät“, erläutert Josef Lifka, Anwendungstechniker der Hoffmann Group. Im Rahmen des Projektes wurden teilweise neue Werkzeuge entwickelt oder Standardwerkzeuge abgewandelt. Da bereits einige Kunden neue Werkstoffe einsetzen, kann die Hoffmann Group auf eine breite Erfahrung in der Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen zurückgreifen. Stefan Kulzer weiß dies zu schätzen: „Bei diesem Projekt haben wir alle Neuland betreten. Neben umfassender Erfahrung liefert die Hoffmann Group schnelle und teilweise unkonventionelle Lösungsansätze mit ihren GarantWerkzeugen.“ Die Radabdeckung aus CFK durchläuft insgesamt drei Zerspanungsschritte. Im ersten Schritt werden die groben Ränder des Rohstücks mit einem Vollhartmetall-Routerfräser der Größe 6 entfernt. Die Kreuzverzahnung mit sechs Schneiden sorgt für große, saubere Späne und vermeidet so die

bild: Hoffmann

produktion

Sichtbare Fahrzeugteile Der Vollhartmetall-Fräser mit gedrallter, kurvenförmiger Schneide sorgt für saubere und präzise ränder am Werkstück.

Staubbildung. Durch den schiebenden Schnitt des Routerfräsers, in diesem Fall mit einer Schnittgeschwindigkeit von 130 m/ min, wird das Bauteil auf die Unterlage gedrückt, ohne dass es unter Spannung gerät. Der Zahnvorschub beträgt 0,18 mm. „Grundsätzlich gilt bei der Verarbeitung von CFK: Vorschub erhöhen und die Schnittgeschwindigkeit geringer halten, um ein Verschmelzen der Harze mit den Spänen zu vermeiden“, erläutert Lifka. Weil die gefrästen Werkstücke später sichtbare Fahrzeugteile sind, kommt es auf eine äußerst saubere und genaue Verarbeitung der Ränder an. Zum Besäumen und Feinfräsen wird ein VHM-Fräser mit ge-

drallter, kurvenförmiger Schneide in Größe 6 eingesetzt. Das Werkzeug mit vier Zähnen arbeitet mit einer Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min und einem Zahnvorschub von 0,06 mm. Die spezielle Schneidenform ermöglicht ein gratfreies Fräsen der Unterund Oberkante des CFK-Bauteiles. Die gleichzeitig ziehende und schiebende Schneide des VHM-Fräsers verhindert die Delamination des Werkstoffes. Wichtig ist es, den Fräser mittig zum Materialquerschnitt einzusetzen. Für Bohrungen wird ein diamantbeschichteter VHM-Bohrer mit zylindrischem Schaft in Größe 6 verwendet. Er weist einen 90°-Spitzenwinkel und eine Spezialgeometrie auf. Die Führungsfase ist auf Materialien mit multidirektionalem Faserverlauf ausgelegt und verhindert dadurch Delamination und Gratbildung. Mit dem Spezialbohrer wird mit einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/min und einem Vorschub von 0,05 mm pro Umdrehung gearbeitet. Die Zerspanungszeit für eine Radabdeckung beträgt insgesamt gerade einmal 2 min. Der nächste große Schritt, Anfang 2011, ist die Anpassung der Prozesse für die Serienproduktion des Leichtbau-Roadsters. Dafür ist bereits eine neue Fünf-Achs-Werkzeugmaschine mit einem Verfahrweg von 3 m × 6 m bestellt, in die das ganze Fahrzeug hineingestellt werden kann. Damit kann Stangl & Co. auch größere CFK-Werkstücke bearbeiten – derzeit liegt das größte bei etwa 1000 mm × 1000 mm. Zusammen mit der Hoffmann Group gilt es, für die Serienproduktion eine Bearbeitungsstrategie zu finden, die eine effiziente Bearbeitung bei gleichzeitig höchster Qualität von Maßen und Optik ermöglicht. „Das Thema Werkzeuge sehe ich hinsichtlich der anstehenden Serienproduktion mit höheren Stückzahlen völlig gelassen. Wir haben den richtigen Beratungspartner und mit Garant die richtigen Werkzeuge“, freut sich Kulzer. Im Sommer 2011 geht der erste Serien-Roding auf die Straße. ■ Februar 2011

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Bild: slcr

produktion

Laserbearbeitung profitiert vom CFK-Trend im Flugzeugbau Noch sind die stückzahlen in der luftfahrttechnik für eine automatisierte laserentlackung von strukturteilen aus Faserverbundwerkstoffen zu klein. aufgrund der zunehmenden werkstoffsubstitution im Flugzeugbau wird sich das jedoch ändern.

laserbearbeitung

Besser als Chemie und Handarbeit Zum entlacken, reinigen und reparieren von strukturteilen aus Faserverbundwerkstoffen kann der laser sehr nützlich sein. in der industrie ist er als entschichtungs- und reinigungswerkzeug bewährt. projekte mit dem slcr-prozess zeigen, dass dies auch im composites-Bereich möglich ist. olav schulZ

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aserverbundwerkstoffe sind ein Teil der Zukunft in vielen, ja mittlerweile in fast allen Industriebereichen. Wurden sie zunächst als „schwarzes Metall“ konstruktiv und maschinell verarbeitet, so entstehen mittlerweile zunehmend werkstoffgerechte Konstruktionen und Fertigungsverfahren. Hitze und Feuchtigkeit sind keine Freunde dieser Werkstoffe und bei der Bearbeitung möglichst zu vermeiden. Die Laserbearbeitung wird im Allgemeinen als thermischer Prozess und daher bei FaserverbundwerkDipl.-Ing. Olav Schulz ist Geschäftsführer der SLCR Lasertechnik GmbH in 52353 Düren, Tel. Tel. (0 24 21) 91 50-0, Fax (0 24 21) 91 50-15, [email protected] 26

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stoffen immer kritisch betrachtet. Dass sich diese Werkstoffe durchaus mit Lasern bearbeiten lassen und sich dabei viele Vorteile ergeben, zeigt die SLCR Lasertechnik GmbH, Düren, seit gut zehn Jahren. SCLR hat sich auf die Oberflächenbearbeitung mit Laser spezialisiert: auf Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von Lasersystemen zur Reinigung, Entlackung und Aktivierung von Oberflächen. Anwender kommen zum Beispiel aus dem Automobilbau, der Elektround Luftfahrttechnik, aber auch aus der Formenreinigung und Oberflächenbeschriftung. Eine schnelle, staubfreie, schonende und saubere Oberflächenbehandlung gehört zu den Kriterien, die der SLCR-Prozess dort erfüllt. In den vergangenen Jahren hat

sich das Anwendungsspektrum stark verbreitert. Der SLCR-Prozess (Selective Laser Coating Removal) wird durch die Anwendung gepulster Laserstrahlung definiert. Je nach Anwendung können bei Wellenlängen von 10,6 µm (TEA-CO2-Laser) oder 1,06 µm (Faserlaser) unterschiedliche organische oder metallische Werkstoffe bearbeitet werden, ohne dass man dabei die Oberflächen oder den Basiswerkstoff schädigt. Für viele Anwendungen ist das eine zwingende Voraussetzung. Von Wichtigkeit ist auch ein umweltverträglicher und kostengünstiger Prozess, der bei vielen industriellen Anwendungen zum Tragen kommt – insbesondere im Vergleich zu konventionellen chemischen

produktion

bild: SLCr

und mechanischen Oberflächenbearbeitungsverfahren. So reduziert die SLCR-Technik die zu entsorgende Abfallmenge beim Entlacken von Bauteilen auf unter 10% im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Das umweltverträgliche, wirtschaftliche Entlacken von Flugzeugoberflächen stand anfangs auch bei einem SLCR-Projekt im Bereich Faserverbundwerkstoffe (CFK und GFK) im Vordergrund. Schon seit langer Zeit sucht die Luftfahrtindustrie nach einem Ersatz für chemische oder mechanische Entlackungsverfahren. Erste Testergebnisse konnten einige führende Anwender überzeugen, sich mit diesem völlig neuen Verfahren auseinanderzusetzen. Über viele Jahre hinweg wurde eine große Anzahl von Tests absolviert, um die Werkstoffverträglichkeit des Verfahrens auch bei vielfacher Anwendung sicherzustellen. Inzwischen haben Lufthansa Technik, Airbus und Boeing das SLCR-Verfahren zum Entlacken von Flugzeugoberflächen freigegeben.

Umweltverträgliches Entlacken Im Gegensatz zu konventionellen Prozessen werden bei der Laserentlackung weder aggressive Chemikalien verwendet noch Staubwolken wie bei Strahlprozessen erzeugt. Der Prozess ist schnell und automatisiert.

Untersuchungsergebnisse belegen die Vorteile dieses Verfahrens. Automobilzulieferer beschäftigen sich zurzeit mit der Verfahrenseinführung und -integration in ihre Fertigungslinien. Die Luftfahrtindustrie nutzt den Prozess bereits. Die bisher größte Anwendung umfasst die Oberflächenvorbereitung zum Lackieren der Höhen- und Seitenleitwerke bei Airbus in Stade. Dort werden Bauteile mit bis zu 4 m Höhe und 20 m Länge vom Trennmittel gereinigt und für das Aufbringen des Anstrichsystems vorbereitet. Eine weitere Anwendung des SLCR-Prozesses ist die Formen- und Werkzeugreinigung, zum Beispiel von Formen für Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen, von Vulka-

Dennoch hat sich der Laser als Entlackungswerkzeug in der Luftfahrtindustrie noch nicht großflächig durchgesetzt. Die Ursache dafür liegt nicht im SLCR-Prozess, sondern eher bei der immer noch begrenzten Anwendung von Faserverbundwerkstoffen. Zwar funktioniert das Verfahren auch auf metallischen Oberflächen, doch werden diese nach wie vor großflächig auf vorhandenen Anlagen oder in großen Flugzeughangars chemisch entlackt. Weil die Lasertechnik hohe Investitionen erfordert, lohnt sich eine Umstellung erst bei entsprechender Auslastung. Das ist bei den bisherigen Stückzahlen an Strukturteilen, die in der Luftfahrttechnik aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sind, noch nicht der Fall. Blickt man auf die Flugzeuge der neuen Generation wie die Boeing 787 oder den Airbus A350 XWB, wird sich das jedoch bald ändern. Die ersten industriellen Anwendungen belegen bereits das Potenzial der neuen Technik. Unabhängig davon gibt es heute für den Laser bereits weitere Anwendungen rund um die Faserverbundwerkstoffe. So wird der SLCR-Prozess bereits zur Aktivierung von Kunststoffoberflächen angewendet: zur Oberflächenvorbereitung für nachfolgende Prozesse wie Lackieren oder Kleben. Dabei entfernt der Laser zum Beispiel vorhandene Trennmittelreste von den Bauteiloberflächen oder dient zum Konditionieren. Der SLCRProzess bietet die Möglichkeit, den Bauteiloberflächen zielgerichtet, sauber und schnell die gewünschten Eigenschaften zu verleihen.

bild: SLCr

Mit der Umstellung auf Composites wächst die Wirtschaftlichkeit

nisationsformen in der Reifenindustrie und von Formen zur Herstellung von KunststoffInterieurteilen für Automobile. Aufgabe der Formenreinigung ist das regelmäßige Entfernen von Trennmitteln und Produktionsrückständen auf den Werkzeugoberflächen. Im Vergleich zu konventionellen Reinigungsverfahren erfolgt keinerlei Beeinflussung der metallischen Oberflächen. Es kommen weder aggressive Chemikalien noch staubige Strahlprozesse zur Anwendung. Die Werkzeuge können beliebig oft gereinigt werden, ohne dass man eine Kantenverrundung oder eine Veränderung der Passgenauigkeit befürchten muss. Teilweise erfolgt die Formenreinigung sogar im eingebauten Zustand an der Maschine. Dadurch werden Stillstandszeiten minimiert und Energie eingespart: Abkühlen, Demontage, erneutes Spannen und Aufheizen der Formen sind nicht erforderlich. Die bei der Reinigung entstehenden Rückstände werden unmittelbar in der Bearbeitungsebene über ein Filtersystem abgesaugt. Durch die verkürzten Reinigungszeiten, den deutlich reduzierten Entsorgungsbedarf und die niedrigen Betriebskosten entstehen für den Anwender viele Vorteile. Herstellen von Kontaktflächen ohne Oberflächenverschleiß

In der Automobilindustrie sind die Anwendungen derzeit noch auf metallische Werkstoffe konzentriert. Dazu gehört das Entschichten von Kühl- und Bremsleitungen. Die aus verschiedenen Substratwerkstoffen bestehenden Rohre sind mit kathodischen Tauch-, Wasserbasis- oder Pulverlacken beschichtet. Für die Herstellung von Kontaktoder Funktionsflächen muss dieser Lack im Größte Anwendung in der Luftfahrttechnik bei airbus in Stade werden Höhen- und Seitenleitwerke zum Lackieren vorbereitet. Dazu kommt der SLCr-Prozess bei bis zu 4 m hohen und 20 m langen bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen zur anwendung: zum entfernen von Trennmittel und zur Oberflächenaktivierung.

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produktion

a

b

10 mm

~ 250 µm

Bild: slcr

beschädigte Stelle

c

Laser als Reparaturwerkzeug Um eine beschädigte stelle im Bauteil (a) zu beseitigen, wird mit dem laser eine konkave Aussparung schichtweise im Faserverbundwerkstoff erzeugt (b) und mit reparaturkit gefüllt. es werden reproduzierbarere ergebnisse erreicht als bei reiner Handarbeit (c).

Automatisierung von Reparaturarbeiten

Bild: Bild slcr

der Arbeitskopf mit dem laser wird über der jeweils zu bearbeitenden stelle des strukturteils positioniert. danach beginnt der automatisierte, schichtweise werkstoffabtrag für die erforderliche reparatur.

Endbereich der Rohre rückstandsfrei entfernt werden. Bürst- und Schälverfahren stoßen dabei aufgrund von Oberflächenverschleiß und -beschädigung an ihre Grenzen. Dagegen erfüllt das SLCR-Verfahren die Anforderungen, organische Schutzschichten verschleiß- und schadensfrei zu entfernen. Eventuelle metallische Schutzschichten werden dabei nicht geschädigt, sodass eine optimierte Kontakt- oder Funktionsoberfläche zurückbleibt. Bei anderen Automobilanwendungen, wie dem Entlacken von Radkalotten, steht die Reduzierung der Stückkosten im Fokus. Dies wird erreicht durch Eliminieren des aufwendigen Maskierprozesses. Laser liefert schneller reproduzierbarere Resultate

Eine sehr effiziente Anwendung kann das SLCR-Verfahren auch im Bereich der Elektronik anbieten. Hier gehört das Herstellen von Kontaktflächen zu den speziellen Aufgaben. In einer besonderen Applikation werden Flachbandkabel präzise entschichtet. Dabei sorgen die SLCR-Systeme nicht nur für eine vollständige Entschichtung, sondern auch für eine komplette Qualitätsüberwachung und Produktkennzeichnung – und das in einem Arbeitsgang. Auf elektrotechnischen Komponenten werden im SLCRVerfahren Kontaktstellen zum Bonden oder für die elektrische Leitfähigkeit freigelegt. 28

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In der Luftfahrttechnik stellt die zunehmende Anwendung von Faserverbundwerkstoffen die Oberflächentechnik noch vor große Herausforderungen. Zwar reduziert die Herstellung primärer Strukturkomponenten wie Flügel und Rumpfsegmente aus Faserverbundwerkstoffen das Gewicht und den Treibstoffverbrauch, doch gibt es hinsichtlich notwendiger Wartungs- oder unvermeidbarer struktureller Reparaturarbeiten noch einen großen Optimierungsbedarf. Im Vergleich zu Metallkomponenten laufen die Reparaturarbeiten bei Faserverbundwerkstoffen ganz anders ab. Wesentlicher Schritt dabei ist das kontrollierte Erzeugen einer konkaven Mulde in der Faserstruktur: das Schäften. So wird das geschädigte Material entfernt und Platz für die spätere Reparaturkitfüllung geschaffen. Dieser meist manuell durchgeführte Prozess ist sehr arbeitsintensiv. Die Reparatur von komplexen Geometrien ist sehr schwierig. Aufgrund des manuellen Prozesses schwankt die Qualität. In vielen Fällen wird der manuelle Prozess auch nicht als wirtschaftlich betrachtet. In den Jahren 2007 und 2008 hat SLCR Lasertechnik in Zusammenarbeit mit der GKN Aerospace GmbH, München, in einem Screening-Programm untersucht, ob der SLCR-Prozess verwendet werden kann, um Schutzschichten von Faserverbundwerkstof-

fen kontrolliert und schadensfrei zu entfernen. Die Herausforderung für das Verfahren bestand in einem kontrollierten Schichtabtrag, wie beim manuellen Prozess. Jedoch sollte der Abtrag automatisiert ablaufen. Bereits ein erster Ergebnisvergleich zwischen dem automatisierten Laser- und dem manuellen Reparaturverfahren zeigte das Potenzial des Prozesses. Die Werte der laserbearbeiteten Proben unterscheiden sich nicht signifikant von den Referenzwerten der manuellen Bearbeitung. So liegen die erzielten Festigkeitswerte der Laserbearbeitung dichter zusammen. Das Schäften mittels SLCRVerfahren ist besser kontrollierbar. Dies schlägt sich in einer reduzierten Streuung der erzielten Werkstofffestigkeitswerte bei ausgebesserten Faserverbundstrukturen nieder. Die Dauer der Laserbearbeitung ist zudem kürzer als das manuelle Erzeugen einer konkaven Aussparung in der Faserstruktur. Das sind starke Argumente für den SLCRProzess. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde eine 3D-Simulation eines Laserbearbeitungssystems erstellt. Der Arbeitskopf wird über der jeweils zu behandelnden Fläche positioniert. Nach Auswahl der Prozessparameter kann der automatisierte Prozess gestartet werden, um Schicht für Schicht den gezielten Werkstoffabtrag vorzunehmen. Das Lasersystem führt den Werstoffabtrag für die erforderliche Reparatur stufenweise oder bei konstantem Winkel durch. Viele Aspekte stärken den Vormarsch des SLCR-Prozesses im Bereich der Oberflächenbearbeitung. Die Erfahrung der vergangenen Jahre und die Resonanz im In- und Ausland haben gezeigt, dass es in vielen Branchen, speziell im Automobilbau und in der Luftfahrttechnik, ein großes Anwendungspotenzial gibt. Mit der Produktpalette von TEA-CO2- und Faserlasern sowie schlüsselfertigen Lasersystemen gehört SLCR Lasertechnik zu den weltweit führenden Prozessanbietern. Bereits vorzuweisende Erfolge im Bereich der Oberflächenbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen bestätigen das. Für die Anwender liegen die Vorteile der Oberflächenbearbeitung mithilfe von SLCRLasern auf der Hand: Der SLCR-Prozess ist umweltverträglich, ermöglicht sehr niedrige Betriebskosten sowie die Bearbeitung unterschiedlicher Grundwerkstoffe und Beschichtungen. In einigen Branchen sind erstmals Oberflächenschutzsysteme verwendbar werden, die zuvor dort undenkbar waren. Daher wird die Oberflächenbearbeitung mithilfe gepulster SLCR-Lasersysteme bald zu einer Standardanwendung werden, auch im Bereich der Faserverbundwerkstoffe. ■

qualitätssicherung

Materialprüfung im Leichtbau

Industrialisierung der Prüfung im Fokus Die Grundlagen der Prüfung von Faserverbundwerkstoffen wurden schon vor Jahrzehnten gelegt und ständig weiterentwickelt. Schwer bedienbare Prüfwerkzeuge und aufwendige Methoden sind aber immer noch üblich. Mit Zunahme des Prüfaufkommens steigt der Druck zur Rationalisierung.

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HeLMut FaHRenHoLZ

ufgrund der Faserorientierung ist das Messen der Werkstoffeigenschaften bei Composites im Vergleich zu anderen Werkstoffen, beispielsweise Metallen oder Kunststoffen, ungleich komplexer. Schon der Zugversuch beschreibt entsprechend Faserrichtung und -aufbau

Lebensdaueruntersuchungen sind in der Luftfahrt unerlässlich

Im Bereich der Schereigenschaften haben sich mehrere Prüfverfahren herausgebildet, mit denen Eigenschaften in unterschiedlichen Scherrichtungen charakterisiert wer-

den können. Das Rissverhalten spielt eine signifikante Rolle und das Verhalten der Composites nach einer Schädigung kann von elementarem Interesse sein. Lebensdaueruntersuchungen sind im Bereich der Luftfahrt und des Windkraftwerksbaus unerlässlich. Hinzu kommt, dass die einzelnen Eigenschaften bei der üblichen Betriebstemperatur und -feuchte bekannt sein müssen. Das sind bei außen liegenden Flugzeugkomponenten in der Regel -55 °C, aber wenn es um abgasnahe Bauteile geht, können auch

Bild: Verfasser

Dipl.-Ing. Helmut Fahrenholz ist Branchenmanager Composites bei der Zwick GmbH & Co. KG, 89079 Ulm, Tel. (0 73 05) 1 00, [email protected]

sehr unterschiedliche Charakteristika. Druck- und Biegeeigenschaften lassen sich nicht anhand von Zugeigenschaften einfach vorhersagen, müssen also extra geprüft werden.

CAI-Verfahren Prüfkörper, der im instrumentierten Fallwerk HIt 230 F nach dem Compression-after-Impact-(CaI-) Verfahren untersucht wird. nach der Belastung im Fallwerk wird der vorgeschädigte Prüfkörper auf Druck bis zum Versagen belastet. Die normen unterscheiden hier zwischen geführtem und gespanntem Halten im Werkzeug.

qualitätssicherung

Temperaturen von 25 0°C und mehr interessant sein.

Außer den klassischen Prüfmethoden wie Zug, Druck oder Biegen, werden im Bereich der Composites sehr spezifische Prüfungen angewandt. Ein Beispiel ist das Compression-After-Impact-(CAI-)Verfahren. Dabei wird das Verhalten der Composites nach Schädigung untersucht, zum Beispiel durch Vogel- oder Steinschlag. Prüfplatten werden dazu mit einer vorher festgelegten Energie durch Schlag geschädigt. Das dafür geeignete Prüfmittel ist ein Fallwerk, das bei einer Fallhöhe größer 0,5 m einstellbare Energien zwischen 10 und circa 100 J erzeugt. Die Instrumentierung des Fallwerks erlaubt dabei eine genauere Überwachung des Schädigungsvorgangs. Zusätzlich kann die Aufnahme des Schlagvorgangs mit einer Hochgeschwindigkeitskamera von Interesse sein. Die so vorbereiteten Prüfplatten werden dann mithilfe einer statischen Prüfmaschine und eines genormten Werkzeugs bis zum Versagen belastet. Die Verringerung der Druckfestigkeit im Vergleich zu einer ungeschädigten Prüfplatte ist das ermittelte Maß für die Schädigung. Hohe Zugfestigkeiten und empfindliches Biegeverhalten sind typische Eigenschaften eines unidirektional gelegten Kohlefaserverbundes (CFK). Daraus entstehen zwei wesentliche Anforderungen für den Zugversuch. Die Krafteinleitung in den Probekörper muss großflächig erfolgen, was über

Bild: Verfasser

Bei Composites werden sehr spezifische Prüfungen angewandt

Kein Umrüsten eine materialprüfmaschine mit zwei Arbeitsräumen kann ohne Umrüstarbeiten für verschiedene prüfungen genutzt werden.

Krafteinleitungselemente, sogenannte Aufleimer, erreicht wird; und der Zug muss exakt axial ausgerichtet sein. Probenhalter, die nach dem Keil- oder Keil-Schraub-Prinzip arbeiten sind hierfür üblich. Die exakte Ausrichtung kann im einfachen Fall mithilfe eines mit drei Dehnungsmessstreifen (DMS) applizierten Probekörpers durch Vergleich der gemessenen Probendehnung kontrolliert

Hintergrund

Vielzahl an Normen beschreibt die Prüfung von Composites Aktuell beschreiben mehr als 150 Normen die physikalische prüfung der langfaserverstärkten composites. manche dieser Normen werden selten genutzt, andere dagegen sind sehr üblich. Außer den internationalen und nationalen Normenreihen von Astm, iso, eN und diN gibt es Normen der Aerospace-industrie, zu denen Airbus, Boeing und die Nasa gehören, sowie Normen von interessenverbänden wie der composites research Advisory Group des royal Aerospace establishment (rAe) oder der bis 2006 existierenden suppliers of Advanced composite materials Association (sAcmA). die größte Anzahl prüfarten wird heute in der Astm beschrieben, die in der industrie sehr verbreitet ist. in europa wer-

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den die eN-Normen häufig angewendet, die sich aus den luftfahrtnormen entwickelt haben, leider teilweise aber schon in den 90er-Jahren im stadium des Normentwurfs stehengeblieben sind. die Flugzeughersteller setzen üblicherweise ihre Normen und Qualitätssicherungs-Verfahrensanweisungen im Umfeld ihrer Zulieferer durch. inhaltlich lässt sich diese Vielzahl der Normen in nur rund 20 verschiedene Verfahren einteilen, die jedes für sich eine bestimmte Aussagekraft haben, eine werkstoffstruktur gezielt behandeln, ein problem in der Qualitätssicherung lösen oder das Verhalten gegenüber standardbauteilen wie schrauben oder Bolzen untersuchen.

werden. Zur weitergehenden Überprüfung, beispielsweise im Rahmen einer NadcapZertifizierung, werden spezielle Hilfsmittel eingesetzt, mit denen Winkel- und Achsfehler in allen Richtungen nachgewiesen werden können. Aufgrund der vielen unterschiedlichen Prüfarten sind Umrüstungsarbeiten an der Material-Prüfmaschine häufig. Um den Arbeitsaufwand gering zu halten, werden die Prüfmaschinen mit zwei Arbeitsräumen ausgestattet. Zum Beispiel im oberen Arbeitsraum die Zugprobenhalter, mit denen die Zugversuche, Scherung in Lagenebene (IPS) und die Lochleibungsversuche ohne Umrüstungsaufwand durchgeführt werden. Der untere Arbeitsraum steht dann für ein weiteres Werkzeug zur Verfügung, das kann zum Beispiel eine Druckeinrichtung sein. Weitere Werkzeuge für Drei- und Vierpunkt-Biegeversuche, Interlaminare Scherfestigkeit (ILS) oder den V-Kerb-Scherversuch nach dem Iosipescu-Verfahren werden komfortabel über Einschübe angeschlossen, die anstelle der Keilbacken in die Zugprobenhalter eingesetzt sind. So funktioniert die Umrüstung sehr schnell und hat den Vorteil, dass die eingestellte axiale Ausrichtung der Probenhalter zueinander bei der Umrüstung nicht verlorengeht. Druckversuch stellt eine besondere Herausforderung dar

Eine besondere Herausforderung stellt der Druckversuch dar. Er ist quasi die Königsklasse unter den Prüfmethoden, weil mit diesem Versuch nicht nur die Festigkeit der Faser, sondern die Eigenschaften des gesamten Verbunds gemessen werden. Die Herausforderung besteht darin, eine Druckverformung bis zum Versagen des Werkstoffs möglichst ohne Ausknickung, also biegefrei in einen flachen ebenen Probekörper einzuleiten. Verschiedene Methoden sind zu diesem Zweck entwickelt worden: – die stirnseitige Krafteinleitung und – die Klemmung des Probekörpers (Schubeinleitung). Das Verfahren der stirnseitigen Krafteinleitung wurde aus dem Druckversuch an Kunststoffen nach ASTM D 695 entwickelt. Der Probekörper wird während des Druckvorgangs zwischen zwei angelegten Stützelementen geführt, die ein Ausknicken verhindern sollen. Boeing entwickelte die Methode weiter und sorgte für eine rechtwinklige Stellung der Führungselemente zur Druckfläche. Zwei Prüfreihen sind jeweils notwendig: Zum Bestimmen des Druckmoduls werden Probekörper ohne Aufleimer verwendet, um sicherzustellen, dass der Verbund im Mess-

qualitätssicherung

Pespektiven:

Automatisierte Prüfungen Mit Zunahme der Prüfhäufigkeit und der anforderungen an die Wiederholbarkeit von Prüfungen tritt die Frage nach der vollen automatisierbarkeit in den Vordergrund. ein automat legt die Probekörper immer exakt gleich ein und sorgt damit für sehr gleichmäßige Prüfbedingungen. außerdem können routineprüfungen außerhalb der üblichen arbeitszeiten des Labors verlegt werden, was einen echten Kapazitätsgewinn darstellt. Hexcel war weltweit der erste Composites Hersteller, der automatisierte Prüfsysteme eingesetzt hat. Zwischenzeitlich sind branchenweit weitere anlagen erfolgreich im einsatz und führen Zugprüfungen an Filamentsträngen und an Flachprobekörpern durch, messen die Scherung in Lagenebene (IPS) und die Scherung durch Überlappung. auch die biegeeigenschaften im Dreipunkt- und im Vierpunkt-Verfahren und die interlaminare

rung um, die eine erhöhte Verdrehsicherheit bietet. Die Probekörper werden in einer speziellen Ausrichtstation zunächst mit den Spannkeilen verbunden und dann in den Spannkopfkörper eingesetzt. Hydraulische Druckeinrichtung vereinfacht die Prüfung

Alle vorgenannten Prüfwerkzeuge sind relativ bedienerunfreundlich und der Probekörper ist schwer für die Dehnungsmessung zugänglich. Die Keile müssen sehr sauber und gleichmäßig geschmiert gehalten werden, um eine gute axiale Kraftübertragung

Abkürzungen DIN

Deutsches Institut für Normung e.V.

eN

europäische Norm

ISO

International Organization for Standardization

aSTM

american Society for Testing and Materials

aITM

airbus Test Method

QVa

airbus Qualitätssicherungsverfahrensanweisung

bSS

bSS boeing Specification Support Standard

bMS

boeing Materials Specification

CraG

Composites research advisory Group − royal aerospace establishment

CFMC

Carbon Fiber Management Council

SaCMa

Suppliers of advanced Composite Materials association (bis 2006)

aeCMa

The european association of aeroSpace Industries

Nadcap

Programm des PrI (Performance review Institute), hervorgegangen aus NaDCaP (National aerospace and Defense Contractors accreditation Program)

Quelle: Verfasser

bild: Verfasser

bereich exakt axial belastet wird. Zur Messung der Druckfestigkeit werden Probekörper mit Aufleimern eingesetzt, um eine vorzeitige Zerstörung des Verbundes an den Krafteinleitungsstellen zu vermeiden. Bei der Klemmung des Probekörpers (Schubeinleitung) erfolgt, ähnlich wie im Zugversuch, die Krafteinleitung durch Spannklemmen. So können Druckmodul und Druckfestigkeit in einem einzigen Prüfablauf ermittelt werden. Das Verfahren erfordert allerdings eine Überwachung der Biegung, die im Bereich zwischen 10 und 90% der Gesamtstauchung einen Wert von 5 oder 10% - je nach Norm – nicht übersteigen darf. Im Bereich der Druckvorrichtungen gibt es eine Reihe nennenswerter Entwicklungsschritte. Frühe ASTM-Normen beschrieben die sogenannte „Celanese“Druckeinrichtung. Sie bestand aus kegelförmigen Backenaufnahmen, die in einem Rohr geführt wurden und nach dem Keilspannprinzip mit zunehmender Druckkraft eine ansteigende Spannkraft aufbauten. Das Problem dieser frühen Vorrichtung lag in ihrer exakten Festlegung auf die Probendicke. Schon geringe Abweichungen führten zu einer linienförmigen Auflage der Kegel, die dann leicht zum Abkippen neigten. Eine Weiterentwicklung der Spanneinrichtung liegt in der DIN 65380 und der prEN 2850 vor. Dabei wurden die kegelförmigen Spannelemente durch Keile ersetzt, was das Problem des Abkippens löste. In der ASTM wurde die Celanese-Druckeinrichtung durch die IITRI-Druckeinrichtung ersetzt. Sie verwendet ebenfalls Flachkeile, stellt aber auch die Art der Führung auf eine Zweisäulen-Füh-

Mengen- statt Einzelprüfung automatisierte anlage zum Prüfen von CFK-Werkstoffen bei Hexel in Duxford (Großbritannien). Scherfestigkeit (ILSS) im vollautomatischen ablauf bei raumtemperatur oder in einer Temperierkammer können bestimmt werden. an dieser Stelle ist bereits der Schritt von der einzelprüfung im Forschungslabor in die Mengenprüfung mit industrieller Praxis vollzogen (bild).

zu gewährleisten. Die Anzahl der Fehlversuche, bei denen übermäßige Biegung im Probekörper auftritt, ist relativ hoch. Entsprechend aufwendig und teuer gestaltet sich die Prüfung. Eine Lösung des Problems stellt die hydraulische Druckeinrichtung HCCF (Hydraulic Composites Compression Fixture) dar, die ausschließlich von der Firma Zwick unter Ausnutzung eines Patents der IMA Dresden vermarktet wird. An Stelle der Keile der IITRI-Einrichtung tritt eine parallel schließende hydraulische Einspannung mit exakt zueinander ausgerichteten Flachbacken. Dies hat gleich mehrere Vorteile: Die Zugänglichkeit des eingespannten Probekörpers bleibt sehr gut, der Einspannvorgang wird stark vereinfacht und während der Prüfung entfallen die Keilbewegungen, die eine unliebsam verstärkende Wirkung aller auftretenden Biegemomente haben. Weiterhin kann die HCCF auch für die Prüfmethode „combined loading“ eingesetzt werden, die in der ASTM D 6641 beschrieben ist. Während die Prüfwerkzeuge den Kontakt zwischen Probekörper und Prüfeinrichtung herstellen, ist die Software das Bindeglied zum Bediener. Sie stellt die Prüfabläufe, die Auswertung, die Datenspeicherung und die Protokollierung zur Verfügung. Mit vorgefertigten Standard-Prüfvorschriften kann der Bediener von komplizierten Einstellaufgaben entlastet werden und die exakte Wiederholbarkeit der Prüfungen wird sichergestellt. Neben der Darstellung der Kurvengrafiken und Ergebnisse ermöglicht die Prüfsoftware Testxpert II auch typische Kontrollfunktionen für Schiefzug und Biegung. ■ Februar 2011

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