Tapen verbessert die Leistung

Wenn ein Unternehmen und ein Institut eine enge Partnerschaft eingehen, entsteht aus dieser Zusammenarbeit häufig ein Technologiesprung. Das Fraunhofer Institut ICT, Pfinztal, und Dieffenbacher, Eppingen, haben es sich zum Ziel gesetzt, langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) durch unidirektionale thermoplastische CF- oder GF-Tapes zu verstärken und damit fit für strukturelle Anwendungen in der Automobilindustrie zu machen. Endlosfaserverstärkte Thermoplaste auf der Basis von Tapes (EFT) wurden bisher vor allem im Flugzeugbau für Fensterrahmen oder Sitze eingesetzt. Der Werkstoff LFT fand im Automobilbau dagegen Anwendung für Unterbodenverkleidungen, Abdeckungen oder Frontend Montageträger. Bisher konnte er jedoch nicht für tragende Strukturen verwendet werden, da im Vergleich zu anderen Leichtbau-Werkstoffen wie CFK die mechanischen Eigenschaften nicht ausreichen. Durch eine geeignete Kombination der beiden Werkstoffe, LFT und EFT, soll dies nun gelingen und im Vergleich zu klassischen CFK-Werkstoffen deutliche Kostenvorteile mit sich bringen.
Durch die Kombination mit Unidirektionalen-Fasertapes (UD-Fasertapes) erhalten Karosseriebauteile aus langfaserverstärkten Thermoplasten eine erhöhte Struktursteifigkeit. Mit der Tailored Fiberplacement LFT-D Technologie können inline, das heißt innerhalb einer Pressanlage, bauteilspezifische unidirektionale Faserverstärkungen aufeinander abgelegt und später in einem Prozessschritt gemeinsam mit der LFT-Masse zu einem Bauteil verpresst werden. „Das Tapelege-System baut maßgeschneiderte Layups auf – das heißt orientierte Fasern entsprechend des Kraftflusses“, fasst Prof. Frank Henning, stellvertretender Geschäftsführer am Fraunhofer Institut ICT, zusammen.

Ausgangsmaterial für die Fasertapes sind Endlosfasern aus Carbon oder Glas (Bild oben). In diesem fertigen „Tailored Blank“ sind die unterschiedlichen Tapes aus CF und GF gut zu sichtbar.

„Das Tapelege-System arbeitet mit einem in Drehrichtung und Position beweglichen Tisch, auf dem lagenweise die Einzelschichten gemäß der Belastung über einen Ablagearm aufgebaut werden. Dazu werden die Tapes in hoher Geschwindigkeit auf den Tisch abgezogen, durch dessen Drehbewegung ausgerichtet und dann mithilfe von Ultraschall-Schweißköpfen lokal fixiert“, beschreibt Henning den Prozess.

Die Taperollen werden in einem Magazin für den Legeprozess vorgehalten. Als solche können verschiedene thermoplastische Kunststoffe mit Endlosfaserverstärkung aus Glas- oder Carbonfasern eingesetzt werden, die sich in Dicke und Breite unterscheiden dürfen. Die Maschine wickelt das Tape von der Spule ab, schneidet es auf die vorgegebene Länge zu und legt es auf dem Tisch an der definierten Stelle ab. Dabei fährt sie so über den Tisch, dass das Gelege bezüglich Faserorientierung, Aufbau und Dicke den Anforderungen des späteren Bauteils entspricht. Beim Legen der Tapes werden einzelne Schweißpunkte durch Ultraschall gesetzt – insgesamt etwa 18 Stück. Dies geschieht innerhalb weniger Millisekunden, sodass die fertig gelegte Struktur unmittelbar durch einen Roboter vom Legetisch genommen und den Folgeprozessen zugeführt werden kann. Nach vorgeschaltetem Erwärmen wird das Gelege anschließend in der Konsolidierungspresse verdichtet und der Thermoplast flächig zu einem Laminat verschweißt. Das nach einer gewissen Abkühlzeit entstandene Halbzeug, das sogenannte Tailored Blank, wird anschließend mit einer Infrarotheizung auf Prozesstemperatur gebracht, ins Formwerkzeug eingelegt und entweder alleine oder in Verbindung mit der heißen LFT-D-Masse in einem kurzen Prozess zum Formteil umgeformt.

Mit dieser Anlagentechnik entsteht eine hohe Flexibilität in der Gestaltung der Bauteile. Es lassen sich vier verschiedene Materialkombinationen auf einer Anlage herstellen, reine LFT-D-Bauteile, reine Fasertape-Bauteile, LFT-D mit lokalen Endlosfaserverstärkungen und LFT-D mit vollflächiger Fasertape-Verstärkung. Selbst unterschiedliche Materialstärken innerhalb eines Bauteils sind möglich.

Weiterentwicklung für Automotive

Um das Verfahren in der Automobilindustrie einsetzen zu können ist unter anderem eine hohe Produktivität von etwa einer Million Teile pro Jahr sowie ein hoher Automatisierungsgrad notwendig. „Mit dieser Technologie können wir konturnahe Bauteile legen – in höherer Geschwindigkeit als andere roboterbasierte Wettbewerbssysteme“, begründet Matthias Graf, Leiter der Technologie und Business Entwicklung im Geschäftsbereich Composites bei Dieffenbacher, die Hoffnungen, die das Unternehmen in die Technologie setzt.  „Zykluszeiten von etwa 30 s sind mit EFT/ LFT Werkstoffen im Pressprozess möglich. Außerdem ist bei so teurem Material wenig Verschnitt wichtig. Das passgenaue und endkonturnahe Legen unterstützt den Verarbeiter dabei, materialeffizient und damit kostensparend zu arbeiten. Hinzu kommt, dass es sich um thermoplastische, recyclingfähige Tapes handelt.“

„Die beste Methode für ressourcen- und kosteneffizientes Verarbeiten ist es, die Menge gering zu halten, die es wiederzuverwerten gilt“, stellt Prof. Henning unzweifelhaft fest. Er berichtet, dass aus diesem Grund auch Partner aus der Materialhalbzeugindustrie in das Projekt eingebunden werden, um optimale Breiten und Mischungen gemeinsam festzulegen. Neben der Prozessgeschwindigkeit und der abfallarmen Bauteilgestaltung arbeiten die Entwicklungspartner konkret an den Ablagemethoden und den Geometrien, aber auch an Optimierungen bei Bauteilentwicklungen. Dazu wiederum sei es wichtig zu wissen, welche Lastkollektive wirken. Es ist also von Bedeutung welche Bauteilarten aus der Industrie überhaupt gefragt werden. „Unser Thema am ICT sind die vom Bauteil und auch vom Werkstoff vorgegebenen Randbedingungen. Wie die Maschine mit diesen Anforderungen effizient umgeht ist das Thema von Dieffenbacher.“ Der Faserverbund an sich sei einer der wenigen Werkstoffe, die erst im Prozess zum eigentlichen Werkstoff werden und ihr Verhalten im Bauteil ausprägen, erklärt Henning seine Faszination, und deswegen gäbe es kaum ein anderes Themengebiet mit einer so intensiven Verzahnung zwischen Verarbeitungstechnologie und Werkstoff.

Optimierungspotenziale gibt es, so erklären beide übereinstimmend beim Design der Bauteile im Hinblick auf die Materialeffizienz. Weitere Herausforderungen sind immer komplexere Geometrien in immer kürzeren Zeiten. Als Technologiesprung bewertet Prof. Henning das Ziel, nicht nur in einer Ebene zu arbeiten, sondern eine perfekte lastpfadgerechte Faserorientierung im Raum zu realisieren.  Die hohe Komplexität stellt jedoch eine Herausforderung für die Entwickler dar.

Nachgehakt

„Die Produktentwicklung ist das spannendste Thema.“

Wie lange wird es noch dauern, bis ein Tapelege-System so selbstverständlich wie eine Spritzgießmaschine beim Verarbeiter steht?
Prof. Henning: Die Anlage ist einsatzbereit. Die Technologie ist für eine bestimmte Bandbreite an Bauteilen voll funktionsfähig. Allerdings sind wir noch lang nicht bei den Stückzahlen, die wir mit diesen Prozessen erreichen könnten. Die nächste Generation wird deutlich mehr können, und die übernächste, wenn wir dann Richtung räumliche Abformung gehen, bestimmt noch mehr. Aber wir müssen mit passenden Strukturen und niedrigen Stückzahlen anfangen.
Matthias Graf: Die Maschine selbst ist seit vielen Jahren auf dem Markt. Die verkauften Maschinen werden im Aerospacebereich eingesetzt. Was wir entwickeln, ist die Kombination mit langfaserverstärktem Kunststoff, um einen relativ preiswerten, formbaren Werkstoff wie LFT lokal mit Tapestrukturen verstärken zu können. Man kann die Bauteile damit sogar funktionalisieren, indem wir Metalleinleger einpressen. Ziel ist, die gesamte Prozesskette von Tape legen, konsolidieren, verpressen mit LFT-D serienreif zu realisieren. Meiner Ansicht nach kann man erst dann das volle Potenzial dieser Technologie ausschöpfen. Denn im Ergebnis besteht dann das Bauteil aus einem Kombinationswerktstoff, nur noch zu 20 % aus Tape und zu 80 % Formmasse, und erbringt trotzdem die geforderte Steifigkeit.

Welche Zusatzqualifikationen braucht ein Maschinenbediener für diese Technologie und was kann ein Verarbeiter heute tun, um seine Mitarbeiter darauf vorzubereiten?
Graf: In der Bedienung der Anlagentechnik ist die Maschine einfach. Wer eine Spritzgussmaschine bedienen kann, kann auch eine Fiberforge Legeanlage bedienen. Anspruchsvoller ist die Konstruktion der Bauteile. Hier ist ein spezielles Fachwissen nötig, um die Bauteile auszulegen und deren Eigenschaften simulieren zu können.
Prof. Henning: Ja, die Produktentwicklung ist das spannendste Thema zur Weiterbildung. Wenn das Unternehmen seine Produkte selbst entwickelt und nicht nur nach Vorgabe fertigt, liegt hier die größte Chance, denn mit dem Verständnis für die Lasten und das Bauteildesign geht auch die Programmierung des Prozesses einher. Und ich glaube, mehr Know-How für das Produktdesign, die Konstruktion mit Faserverbundwerkstoffen, aber auch zu den Werkstoffen an sich ist sinnvoll.

Weshalb ist das Material so gut recyclingfähig?
Prof. Henning: Es sind Thermoplaste. Besonders bemerkenswert ist die Möglichkeit, beim Kombinationsprozess eventuelle Randbeschnitte direkt im Prozess als recycliertes Material wiederzuverwenden. Letztendlich läuft der Prozess dann praktisch abfallfrei. Für ein Unternehmen ist es – aufgrund der gesetzlichen Vorschriften vor allem in Europa – ein großer Vorteil, den Stoffkreislauf schließen zu können. Außerdem gehören die FVK-Tapes nicht zu den günstigsten Werkstoffen, weshalb schon aus Kostengründen eine effiziente Nutzung geboten ist.
Graf: Auch wenn wir die Materialien kombinieren, zum Beispiel verstärkte Tapes mit langfaserverstärktem Kunststoff, können wir direkt im Prozess Rezyklat verarbeiten. Das heißt, sowohl Produktionsabfälle, beispielsweise Verschnitt oder den Abfall aus Stanzlöchern, können unmittelbar an der Maschine wieder zurückgeführt, aufgeschmolzen und verarbeitet werden, als auch Altbauteile, die als Rezyklat wieder zugeführt werden.

Aber die Ausrichtung der Fasern im Rezyklat ist dann nicht mehr kontrollierbar?
Prof. Henning: Richtig. Die wird regellos. Da die Beschnitte ohnehin endlich in der Faserlänge sind, werden sie schonend aufbereitet, um sie dann zu überströmen. Daraus wird kein UD-Werkstoff mehr, sondern ein quasi isotroper 3D-Werkstoff. Es entsteht ein quasiisotrop langfaserverstärkter Kunststoff.

Der dann andere Werkstoffeigenschaften hat.
Prof. Henning: Der vor allem den großen Vorteil hat, fließfähig zu sein. Das heißt, Sie können jetzt Rippen hinterfügen, also geometrische Stabilisierungen ans Bauteil integrieren. Als Rezyklat entsteht ein ganz anderer Werkstoff, der aber sehr hochwertig nutzbar ist, wenn er mit dem Ursprungswerkstoff zusammengebracht wird. Auch das ist im Übrigen ein großer Vorteil der Thermoplaste: Sie verschweißen an den Grenzflächen. Die stoffschlüssige Verbindung ist also kein Verkleben, keine Adhäsion, sondern Kohäsion. Und daraus ergeben sich bessere Bauteileigenschaften.