Die Herausforderungen der nächsten Jahre ergeben sich aus den Themen Ressourcenschonung und Energieeffizienz. Daraus entstehen bestimmte Anforderungen an die Verarbeitung der Kunststoffe ebenso wie an die Produkte und ihre Entwicklung. So wurde der Energieverbrauch der Verarbeitungsmaschinen in den letzten Jahren intensiv erforscht. Das Beispiel der vollelektrischen Spritzgießmaschine zeigt, was hier möglich ist. Ein weiteres Stichwort ist Materialsubstitution: Immer leichtere und dünnwandigere Konstruktionen aus Kunststoff ersetzen andere schwere Metallbauteile und schonen auf vielfältige Art und Weise natürliche Ressourcen.

Materialeffizienz durch Bauteildesign und neue Verfahren

Für die Materialeffizienz spielt konsequent kunststoffgerechtes Bauteildesign eine wesentliche Rolle. Aber auch die Entwicklung neuer Verfahrenstechniken leistet einen erheblichen Beitrag zur Materialeffizienz. Ein wichtiges Beispiel hierfür sind Schäumverfahren. Durch den Einsatz neuer Thermoplast-Schaum-Spritzgießverfahren (TSG) können Schwindung und Verzug von Bauteilen minimiert, größere Fließweg/Wanddickenverhältnisse erreicht sowie der Materialeinsatz bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften deutlich reduziert werden. Bei dem so hergestellten Instrumententafel-Träger des Ford Kuga/Escape konnten die Bauteilkosten um zwei Euro, die Schließkraft um 45 Prozent, das Bauteilgewicht um 0,5 kg und die Zykluszeit um 15 Prozent reduziert werden. Aktuelle Forschungsarbeiten werden der Industrie in naher Zukunft wertvolle neue Ansätze für Weiterentwicklungen liefern können.

Serientaugliche Verfahrenfehlen im Leichtbau

Schäumverfahren sparen aber nicht nur Material und damit Kosten, sondern reduzieren auch das Bauteilgewicht. Gewichtseinsparungen können, neben der beschriebenen Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz während der Fertigung, weitere erhebliche Energieeinsparungen während des Produktlebenszyklus ermöglichen. Ein bedeutender Treiber ist derzeit die Automobilindustrie. Hier wird intensiv daran gearbeitet, das Gesamtfahrzeuggewicht zu reduzieren beziehungsweise das hohe Gewicht der Batterien in Elektrofahrzeugen auszugleichen. Damit soll der Energiebedarf künftiger Fahrzeuggenerationen drastisch gesenkt werden.

Metallische Bauteile werden durch Leichtbau-Teile ersetzt. Ein Arbeitsgebiet, das hohes Potenzial birgt. Nahezu alle Automobilbauer und deren große Zulieferer müssen sich einer großen Herausforderung stellen: der Entwicklung großserientauglicher Verarbeitungsprozesse für faserverstärkte Hochleistungswerkstoffe.

Spaltimprägnierverfahren reduziert Zykluszeiten

Derzeit treffen hier noch zwei Welten aufeinander: Die werkstoff- und auslegungstechnisch weit entwickelte Luftfahrtindustrie und die produktionstechnisch hoch entwickelte, kosten- und zykluszeitgetriebene Automobilindustrie. Die Herausforderungen liegen nun darin, Synergien zu nutzen, Know-how aus beiden Welten zusammenzuführen und zur Produktionstechnik von Morgen zu kombinieren. Ein Beispiel für eine wegweisende Technologie ist das Spaltimprägnierverfahren. Es erlaubt, die Verstärkungsfasern in der Werkzeugform schnell, effizient und vollautomatisiert in wenigen Sekunden zu imprägnieren. So lassen sich hochreaktive Harzsysteme einsetzen, die kurze Aushärtezeiten ermöglichen. Die Zykluszeit konnte stark reduziert werden und liegt nun unter fünf Minuten. In einem Verbundprojekt wird derzeit mit dem Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen (ika) und weiteren Industriepartnern die Entwicklung und Fertigung einer integralen CFK-Motorhaube für einen Ford Focus umgesetzt. Neben den mechanischen Kennwerten erfüllt die fertigungsgerecht gestaltete Motorhaube Forderungen nach Fußgängerschutz und Class-A Oberflächenqualität.

Ziel der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten muss es sein, die Prozesse sowohl hinsichtlich ihrer Zykluszeit als auch ihres Automatisierungsgrads und der Prozessintegration auf das Niveau des Spritz­gieß-Prozesses zu bringen. Dies ist nur durch eine gemeinschaftliche und langfristige Zusammenarbeit von allen an der Wertschöpfungskette Beteiligten möglich. Wem es hier gelingt, intelligente und innovative Lösungen für serientaugliche Verfahren zur Kombination unterschiedlicher Prozesse und Werkstoffe für die Fertigung hochintegrierter Bauteile zu entwickeln, wird sich einen nachhaltigen Wettbewerbsvorteil sichern können.

Ganze Prozessketten abbilden

Der unmittelbare Dialog zwischen Industrie und Forschungseinrichtungen ist hierfür eine wichtige Grundlage. Eine Möglichkeit, gemeinsame Entwicklungen zu forcieren, bietet das Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau. Im Januar 2012 gegründet bildet es eine Plattform, um Einzeltechnologien in einem Technikum zu verketten. Mit Großanlagen wird es ab Mitte 2014 durchgängige Prozessketten an realen Bauteilen darstellen können. Eine grundlegende Voraussetzung für den nachhaltigen Erfolg unserer Branche ist eine aktive Vernetzung der verschiedenen Industrie- und Forschungszweige. Nur durch eine enge Kooperation von Rohstoffherstellern, Maschinen- und Werkzeugbauern und Verarbeitern und deren Abnehmern sowie Forschungseinrichtungen und anderen Institutionen lässt sich die Innovationskraft der Kunststoffbranche erhalten und stärken. Dies ist und bleibt eine der wichtigsten Voraussetzungen für den zukünftigen wirtschaftlichen Erfolg der Branche.

 

Hintergrund

Aktuelle Wirtschaftslage bleibt unsicher

Nach der heftigen Wirtschaftskrise in 2008 und 2009 erlebte die Kunststoffbranche einen kräftigen Aufschwung in den letzten drei Jahren. Doch der weitere Verlauf der Konjunktur ist erneut unsicher. Die Finanzmärkte bleiben labil, langfristige Investitionen erscheinen heute schwerer und riskanter als noch vor wenigen Jahren. Hinzu kommt die aktuelle Situation des Euroraumes, die insbesondere Deutschland trifft und treffen wird, denn Europa stellt den wichtigsten Exportmarkt für die deutsche Kunststoffindustrie dar.

Dagegen entwickeln sich die asiatischen Märkte weiterhin mit enormen Wachstumsraten. Sowohl China als auch Korea haben einen steigenden Bedarf, insbesondere an deutschen Kunststoff- und Kautschukverarbeitungsmaschinen. So berichtet der VDMA von einem Rekord-Liefervolumen von 766,4 Millionen Euro in 2011 alleine an China. Dies entspricht einer Steigerungsrate von 30,5 Prozent gegenüber 2010. Diese Zahlen lassen zwei Deutungen zu: Zum einen, dass der deutsche Maschinenbau nach wie vor eine führende Position im Weltmarkt hat. Zum anderen geraten die Kunststoff- und Kautschukverarbeiter damit unter stärkeren Druck, da mit dem Maschinenexport die Produktionskapazitäten in Asien ausgebaut werden.

 

Unternehmen im Detail

Exzellenzcluster Produktionstechnik

An der RWTH Aachen ist die Produktionstechnik als zentrale Kompetenz verankert. Als Aachener Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ wird sie für weitere fünf Jahre gefördert. Das Cluster adressiert als einziges bundesweit die Kunststofftechnik als zentrale Kompetenz. Beteiligt ist das IKV mit sechs weiteren Instituten. Insgesamt arbeiten 25 Professoren und circa 700 Wissenschaftler für das Cluster und bilden die Wertschöpfungskette von der Faser über die Automatisierungs- und Kunststofftechnik bis hin zur Anwendung ab.

Autor

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Prof. Christian Hopmann