Aus der Branche

• Reduzierung des Materialeinsatzes um bis zu 50 Prozent durch innovative Formgebungsstrategie in der Herstellung von Faser-verbundwerkstoffen

In der Faserverbundkunststoff (FVK)-Produktion ist die Stempelumformung eines der wirtschaftlichsten Verfahren zur automatisierten Großserienfertigung, z.B. in der BMW i-Reihe. Dir derzeitig eingesetzten Verfahren sind anfällig für Drapierfehler und einen hohen Verschnittanteil. Durch ein am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University, kurz ITA, entwickeltes innovatives Verfahren kann nun die Ausschussquote signifikant verringert und der Verschnittanteil der hochpreisigen Verstärkungstextilien, wie beispielsweise Carbonfasertextilien, um bis zu 50 Prozent reduziert werden.

Sven Schöfer vom ITA erzielte diesen Effekt mit seiner Arbeit „Entwicklung einer textilen Materialzuführung zur Erhöhung der Preformqualität bei der Stempelumformung von Verstärkungslagen“. Er gewann dafür am 10. September 2019 den dritten Preis der AVK-Innovationspreise in der Kategorie „Forschung und Wissenschaft“ anlässlich der Composite Europe in Stuttgart.

Funktionsweise des derzeitigen Verfahrens
Bei der Stempelumformung werden in der Industrie meist Klemmgreifer eingesetzt, die die gestapelten Einzellagen dem Umformprozess zuführen und über einen Spannrahmen oder Niederhalter am Unterwerkzeug positionieren. Durch die Klemmgreifer ist der Verschnittanteil der kostenintensiven Verstärkungstextilien hoch, da bei klemmenden Systemen Drapierzugaben am Textilrand notwendig sind. Andere Ansätze, das Verstärkungshalbzeug während der Umformung zuzuführen und gleichzeitig die Drapierqualität zu verbessern, sind ebenfalls nicht wirtschaftlich: sie sind in der Regel nur auf bestimmte Zuschnitte ausgelegt, nicht automatisierbar, fehleranfällig oder teure Speziallösungen.

Aktuell gibt es in der Industrie kein System, das Rückhaltekräfte gezielt entlang einer verschnittarmen Endkontur einsetzen kann und in der Geometrie flexibel bleibt.

Innovativer Lösungsansatz von Sven Schöfer
Das von Sven Schöfer entwickelte innovative Verfahren arbeitet mit einer lösbaren textilen Fügeverbindung, einer sogenannten Tuftingnaht. Sie macht ein Abgleiten der Einzellagen während des Umformprozesses unter einer von der Nahtausführung abhängigen Rückhaltekraft möglich.

Auf diese Weise werden Drapierfehler in zuvor kritischen Bereichen selbst bei komplexen Preformgeometrien verringert oder vollständig vermieden. Dies führt zu einer signifikanten Erhöhung der Preformqualität und zur Senkung von Ausschussraten. Das Verfahren ist sehr effizient, da Rückhaltekräfte für beliebige Bauteilgeometrien an endkonturnahen Zuschnitten eingeleitet werden. So wird der Materialeinsatz um bis zu 50 % reduziert.

Das Aachener Zentrum für Integrative Leichtbau (AZL) der RWTH Aachen installiert in seinem Technikum eine neue ENGEL-Spritzgießanlage. Die ENGEL Deutschland GmbH, in Kooperation mit dem ENGEL Technologiezentrum für Leichtbau-Composites in Österreich, wird das 2-Komponenten-Spritzgieß-System mit Drehtisch und 17.000 kN Schließkraft im Jahr 2019 in Betrieb nehmen. Dieser Maschinenaufbau ist die Basis für die Weiterentwicklung effizienter Inline-Kombinations-Technologien mit unterschiedlichen Polymerwerkstoffen.

Das ENGEL-Spritzgießsystem ermöglicht die innovative Kombination bereits etablierter Faserverbundkunststoff-Verfahren und die Entwicklung neuer individueller Verfahren. Im Mittelpunkt steht die Steigerung der Ressourceneffizienz in der Leichtbau-Produktion. Mit der neuen Anlage können neue Forschungs- und Entwicklungsinitiativen einen effizienteren Materialeinsatz adressieren, der letztlich der Schlüssel zur Massenproduktion von Leichtbauteilen ist. Der Fokus wird dabei auf Multimaterialsystemen, kontinuierlichen Prozessen und Prozessketten sowie selbstoptimierenden Prozesse liegen.

Dr.-Ing. Michael Emonts, Geschäftsführer des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau (AZL) freut sich darauf, mit dem neuen Spritzgießsystem neue innovative Leichtbauverfahren zu realisieren: „Diese neue Spritzgießanlage bietet uns als Spezialisten für die Leichtbau-Produktionstechnik in Kooperation mit den Spritzgießexperten des Instituts für Kunststoffverarbeitung – dem IKV – die Möglichkeit, Hybridverfahren für industrielle Leichtbau-Anwendungen zu etablieren. Das System wird unseren bestehenden Maschinenpark im AZL-Technikum erweitern und als wichtige Plattform für die Leichtbau-Forschung an der RWTH zur Verfügung stehen."

Als aktive Partnerfirma des AZL-Partnernetzwerks arbeitet ENGEL bereits seit vielen Jahren eng mit dem AZL zusammen. Dr. Stefan Engleder, CEO der ENGEL-Gruppe, betont die Bedeutung dieser engen Zusammenarbeit mit den Technischen Universitäten und insbesondere mit dem AZL: „Das AZL bietet beste Voraussetzungen für industrienahe Forschungsaktivitäten im Bereich Leichtbau-Verbundwerkstoffe, da es sich durch einen starken interdisziplinären Ansatz auszeichnet. Das AZL profitiert von der guten Infrastruktur und der Zusammenarbeit mit namhaften Instituten der RTWH Aachen. ENGEL freut sich auf die Zusammenarbeit mit dem AZL bei der Entwicklung effizienter Leichtbau-Verbundwerkstoff-Massenproduktionsverfahren.“

Das AZL-Technikum umfasst neben den zahlreichen Faserverbund- und Leichtbauanlagen auf dem Campus der RWTH Aachen zusätzliches Großserien-Equipment für die Entwicklung von Verfahren zur Leichtbau-Produktion, wie zum Beispiel eine Composite-Presse der Schuler Pressen GmbH mit 18.000 kN Schließkraft.