„Das ist wie beim Maibaum-Flechten“, erklärt Martin Stoppel, Kaufmännischer Leiter von Munich Composites, das Prinzip des Kohlefaserflechtens. „Der Maibaum in der Mitte entspricht dem Kern, und da flechten wir dann drumrum.“ Auf diese Weise verfügt das spätere Bauteil an jeder Stelle über die gewünschte Biege- und Torsionssteifigkeit. So entsteht beispielsweise die Vorform eines sehr leichten und gleichzeitig stabilen Fahrradlenkers aus CFK. Das wäre an sich nichts Besonderes, wenn das Flechten nicht automatisiert vonstattengehen würde. Denn Fahrradteile aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen haben sich längst im Profibereich etabliert, ebenso bei ambitionierten Hobby-Sportlern.
Bei dem Unternehmen aus Ottobrunn bei München übernimmt das Flechten eine Maschine. „Bei uns laufen sogenannte Klöppel umeinander, versetzt, dadurch bekommt man ein maschinelles Geflecht“, erläutert Stoppel. Das geht wesentlich schneller als wenn ein Arbeiter die Fäden von Hand um den Flechtkern legen würde. Jeder, der weiß, wie lange es dauert, einen 30 cm langen Zopf aus drei Strähnen zu flechten, kann sich ein Bild davon machen, wie langwierig es ist, ein 1 m langes, mehrlagiges Geflecht aus 64 Fäden von Hand herzustellen.
Da kommen viele Arbeitsstunden zusammen – handwerkliche Abweichungen inbegriffen. Maschinell dauert der Prozess lediglich 5 min und an jeder Stelle weist das Geflecht die optimale Dichte auf und die Ausrichtung der Fasern entspricht ebenfalls genau den Vorgaben. Beides sind wesentliche Vorteile gegenüber Prepregs. Denn bei letzterem Verfahren variiert die Dicke der Lagen unweigerlich, da beim Auslegen von Rundungen oder Kurven in der Vorform Falten und Materialüberschneidungen entstehen. Ebenso lassen sich die Fasern nicht exakt ausrichten. Und das führt zu Einschränkungen bei der Stabilität – und/oder zu Materialverschwendung.
Roboter haben’s im Griff
Komplizierter wird es, wenn das herzustellende Bauteil eine oder mehrere Bögen aufweist – wie ein Fahrradlenker beispielsweise. Würde man den Kern des Lenkers gerade durch die Flechtmaschine führen, wäre das Geflecht an den Außenseiten jeder Kurve dünner und an den Innenseiten entsprechend dicker. Eine geringere Stabilität des Gesamtbauteils wäre die Folge. Hier kommen die drei Roboter ins Spiel. Der erste davon steht in der Mitte. Die beiden anderen befinden sich links und rechts neben ihm. Der erstgenannte führt den Kern im richtigen Winkel durch die Flechtmaschine, sodass diese die Faser an jeder Stelle exakt auf den Kern ablegt. Die beiden anderen Roboter stützen den umflochtenen Kern an der Stelle knapp hinter dem Flechtpunkt ab und verhindern so, dass das Geflecht beim Durchführen knickt und dadurch Schaden nimmt.
Außerdem ist es mithilfe der Roboter möglich, auf Knopfdruck einzelne Stellen eines Bauteils mit zusätzlichen Kohlefaser-Lagen zu umflechten. Dazu führt der Roboter den bereits umflochtenen Kern ab der gewünschten Stelle wiederholt durch die Flechtmaschine. Dies ist beispielsweise bei dem Fahrradlenker nötig. Entsprechend der unterschiedlichen Belastungszonen hat er zwischen vier und acht Lagen. Felix Fröhlich, Managing Director von Munich Composites, erklärt: „Da ich hier einen Biegebalken habe, braucht er in der Mitte mehr Lagen und außen weniger.“ Zum Vergleich: Der ebenfalls bei Munich Composites hergestellte CFK-Fahrradrahmen ist auch mit zwei Lagen stabil. Grund für diesen Unterschied ist das sehr feine Flechtmuster am Lenker und die dadurch sehr dünnen Fasern. Die vergleichsweise vielen Schichten sind daher nötig, um die für die Stabilität nötige Wandstärke zu erreichen.
Wiederverwendbares Kernsystem
An Grenzen stößt das Flechtverfahren, wenn ein Bauteil an verschiedenen Stellen unterschiedliche Durchmesser aufweist oder mehrmals gebogen ist. Das gilt zumindest für Flechtverfahren, die auf einen herkömmlichen Kern aus Metall oder Schaumstoff setzen. Sie lassen sich nur eingeschränkt anwenden bei Teilen wie einem Fahrradlenker, dessen Durchmesser in der Mitte größer ist und in Richtung Lenkerenden jeweils einen Bogen macht.
„Kernsysteme, die im Moment eingesetzt werden, verbleiben entweder im Bauteil, wie ein Schaumkern zum Beispiel, oder müssen wieder ausgeschmolzen werden“, erklärt Stoppel. Das führt einerseits zu Mehrkosten, weil der Hersteller für jedes Bauteil einen neuen Kern benötigt. Andererseits kostet das Ausschmelzen zusätzliche Zeit.
Verbleibt der Kern aber im Bauteil, erhöht er das Bauteilgewicht, ohne eine Funktion zu erfüllen. Munich Composites hat deshalb ein wiederverwendbares Kernsystem entwickelt. „Das gehört sicherlich zu unseren größten Innovationen“, betont Stoppel. Das Prinzip ist einfach: Der einem Feuerwehrschlauch ähnelnde Kern ist mit Druckluft gefüllt und hat die Kontur des späteren Bauteils. Nach dem Aushärten wird die Luft herausgelassen und der Kern entnommen.
Anschließend ist er sofort wieder bereit für den nächsten Durchgang. Einen weiteren Vorteil erläutert Fröhlich: „Den Blasschlauch kann ich während der Injektion bedrucken, und erreiche dadurch eine Nachkompaktierung.“ Ein härteres, stabileres Bauteil ist das Ergebnis.
Alle Elemente zusammengenommen, das automatische robotergestützte Flechten und der aufblasbare Kern, ermöglichen das Produzieren sehr komplexer Bauteile. Unterschiedliche Dicken, Rundungen mit mehreren Radien, alles kein Problem. Auch eventuell nötige Befestigungslöcher lassen sich einflechten. Da dadurch die Faser nicht zerstört wird – im Unterschied zum nachträglichen Bohren der Löcher – trägt das Flechten auch hier zur Stabilität des Bauteils bei.
Nur maginaler Abfall
Auch wenn es um Ressourceneffizienz geht, spielt das Verfahren seine Stärken aus: „Wir flechten direkt auf die Form und müssen nur an den Enden ein wenig abschneiden“, erklärt Stoppel. Somit landen weniger als fünf Prozent der Fasern im Abfall. „Wenn wir Prepregs oder auch die trockene Matte aus einer ebenen Platte rausschneiden würden, dann hätten wir Verschnitt in Größenordnungen von 30 bis 40 Prozent“, erläutert Fröhlich. „Insofern sind wir da schon ganz gut unterwegs.“ Dennoch ist das Unternehmen dabei, den An- und Abschnitt weiter zu verringern.
Ebenso verringern will er den Aufwand für den Injektionsprozess. Derzeit arbeitet der Hersteller mit verschraubbaren Werkzeugen, in deren Form eine automatische Injektionsanlage Epoxidharz einbringt. Eine Zuhaltevorrichtung soll den Vorgang ein Stück weiter automatisieren. „Dadurch reduzieren wir auch hier die Zykluszeit“, meint Fröhlich. Bis Ende des Jahres will er den Prozess innerhalb von fünf Minuten abschließen.
Das ist bei steigenden Stückzahlen auch nötig. Die derzeitigen Serienprodukte, der angesprochene Fahrradlenker sowie ein vollständig aus CFK bestehender Sattel, sind nicht nur besonders leicht und stabil, sondern auch besonders hochwertig – was sich auch im Preis niederschlägt. Entsprechend niedrig sind die Stückzahlen. Einen fünfstelligen Euro-Betrag für ein CFK-Fahrrad legen eben nur Enthusiasten auf den Tisch. Aber neben verschiedenen Industriekunden stehen auch andere Interessenten in der Schlange, die höhere Stückzahlen abnehmen. Fröhlich: „Wir stehen gerade in der abschließenden Diskussion für mehrere Serienprodukte. Wir gehen davon aus, dass die Serienproduktion im nächsten Monat starten wird.“
Interview mit Felix Fröhlich, Managing Director von Munich Composites
„Wir haben ein Gesamtprozessverständnis.“
Ein Unternehmen aus München hat sich auf das automatisierte Flechten von komplexen Hohlkörpern spezialisiert. Wie gefragt diese Technik ist, zeigt sich durch das Interesse von Auto- und Fahrradherstellern, die immer mehr Metallteile durch CFK-Komponenten ersetzen. Der Plastverarbeiter sprach mit Felix Fröhlich, Managing Director von Munich Composites, darüber, wie sich ein breites Prozesswissen auch gegenüber großen Industriekunden auszahlt.
Sie bieten viel Entwicklungsarbeit an, vom Entwurf bis zum Bauteil oder der Baugruppe. Wie groß ist denn der Anteil an der täglichen Arbeit, die Entwicklungsprozesse derzeit einnehmen?
Felix Fröhlich: Wir sind derzeit vielleicht zu 50 Prozent im Entwicklungsbereich tätig, und 50 Prozent in der Fertigung. Außerdem sind die Entwicklungsprojekte sehr unterschiedlich. Die beginnen bei einer kompletten Bauteilentwicklung wie jetzt zum Beispiel beim Sattel oder beim Lenker. Der Kunde kommt auf uns zu und möchte zum Beispiel einen Sattel verändern, ein bestimmtes Gewicht oder eine bestimmte Performance erreichen. Wir haben aber auch Entwicklungsaufträge, bei denen es dann rein um die Verarbeitung geht. Dann liefern wir beispielsweise 50 Platten mit bestimmten Parametern und weitere 50 mit anderen. An denen führt der Kunde dann seine Tests durch.
Wie stellen Sie sicher, dass die Fasern im späteren Bauteil optimal in Richtung der wirkenden Kräfte liegen? Und wie schaffen Sie es, die optimale Menge an Harz zu verwenden?
Felix Fröhlich: Wir führen Berechnungen am Rechner durch, um so die optimale Faserablage heraus zu finden. Für die Details greifen wir auf Partner zurück. Im Prozess messen wir dann nach. Dadurch wissen wir, ob wir im richtigen Bereich sind oder nicht. Wenn das Projekt weitergeht und das Harz eingebracht werden muss, überlegen wir uns natürlich auch den Prozess dazu. Wir haben die Erfahrung über dementsprechend stabile Prozesse, damit nachher das Harz überall dort ist, wo es auch sein sollte.
Wie treten Sie als kleine Firma gegenüber den Indutriekunden auf? Machen Ihnen deren Einkäufer nicht zu schaffen?
Felix Fröhlich: Nein. Denn wir haben den Vorteil, dass wir ein Gesamtprozessverständnis haben, was nicht so leicht zu finden ist – oder es eigentlich so nirgendwo anders gibt. Ich rede von unserem Know-how und unserer Erfahrung entlang der gesamten Prozesskette: Das Flechten und die Injektion, sowie unserem Kernsystem. Und dadurch können wir den Kunden gesamtheitlich beraten. Wenn ein Kunde mit einem Stahlteil ankommt und das aus CFK haben möchte, können wir schon recht früh sagen, ob das funktioniert oder ob man die Konstruktion an dem einen oder anderen Bereich anpasst. Auf diese Weise kommen wir dann auch mit den Industriekunden ins Gespräch. Auch wenn wir eigentlich von der Unternehmensgröße her bei den Einkäufern durch sämtliche Raster fallen.
