Produktionszelle für das Faser-Direkt-Compoundieren. (Bildquelle: Arburg)

Produktionsanlage für das Faser-Direkt-Compoundieren. (Bildquelle: Arburg)

Um in der Herstellungsphase sparsame und wirtschaftliche Prozessabläufe zu erzielen, sollte Leichtbau schon beim Bauteildesign beginnen. Zudem gilt es, das Potenzial für energie- und ressourcenschonende Fertigungsverfahren zu sondieren und die Materialauswahl auch hinsichtlich Bauteilanforderung und Ressourcenschonung zu betrachten.

Ressourcenschonender Leichtbau

Das Faser-Direkt-Compoundieren (FDC) ermöglicht auch Dank prozessintegrierter Werkstoffaufbereitung eine energie- und ressourceneffizientes Fertigen hochfester Bauteile. Das innovative Leichtbauverfahren von Arburg, Loßburg, zeichnet sich durch hohe Verfügbarkeit der Materialien und um bis zu 40 Prozent geringere Kosten im Vergleich zu speziellen Langfasergranulaten aus. Die FDC-Einheit an der Spritzeinheit umfasst eine Seitenbeschickung mit integrierter Schneidvorrichtung, einen angepassten Zylinder und eine spezielle Schneckengeometrie. Die Glasfasern werden als Rovings bereitgestellt, inline zugeschnitten und direkt der flüssigen Schmelze zugeführt. In der Praxis haben sich Faserlängen von 5,6 bis 33,6 mm bewährt. Das Faserschneidwerk verfügt über Sensorik und Regelungstechnik, um die individuell gewählte Faserlänge und Faseranteil exakt bereitzustellen. Auf diese Weise lässt sich nicht nur das Bauteilgewicht reduzieren, sondern auch dessen Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit gezielt beeinflussen. Darüber hinaus werden die Prozessdaten jedes einzelnen Fertigungsvorgangs erfasst und bauteilbezogen gespeichert. Dazu gehören auch die Daten aus dem Wiegen der gefertigten Bauteile direkt nach dem Entformen. Somit können Gewichtsabweichungen unmittelbar nach dem Spritzgießen erkannt, dokumentiert und nachgeschaltet Gut- und Schlechtteile sortiert werden. Das Einsatzspektrum im Automobil umfasst unterdessen beispielsweise Sitzschalen und Türmodule im Fahrzeuginnenbereich, aber auch Bauteile im Motorbereich wie Gehäuse, Hebel und Gelenke.

PP ersetzt Metall

Hochleistungskunststoffe wie PBT oder glasfaserverstärktes Polyamid (PA) können gegebenenfalls Metall im Automobilbau ersetzen. Ein Beispiel, wie sich durch Auswahl des richtigen Werkstoffs die Prozesse noch effizienter gestalten lassen, ist die Substitution von glasfaserverstärkten PA-Compounds durch im FDC-Verfahren verarbeitetes, langglasfaserverstärktes Polypropylen (PP LGF). Dieses verfügt hinsichtlich Quer- und Längsschwindung über ähnliche Werkstoffeigenschaften wie Aluminium – und das bei wesentlich reduziertem Gewicht. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Wirtschaftlichkeit, da sich dieses Verfahren einfach in bestehende Fertigungsprozesse einbinden lässt und durch das Direkt-Compoundieren ein zusätzlicher Energieaufwand für das Herstellen faserverstärkter Granulate entfällt. Beschafft und gelagert werden müssen nur der Matrixwerkstoff und Rohglasfasern. Alle wichtigen Parameter zu Fasermenge und Faserlänge werden direkt an der Steuerung der Spritzgieß­maschine eingestellt und können individuell an das jeweilige Bauteil angepasst werden. Anspruchsvolle Bauteile mit hoher Variantenvielfalt lassen sich mit dieser Technologie herstellen.

Modulare Produktionsanlage für Kleinserien

Beim Prototyp der Sitzschale wurden Spritzpressen und FDC-Verfahren kombiniert. (Bildquelle: Arburg)

Beim Prototyp der Sitzschale sind Organobleche und FDC-Verfahren kombiniert. (Bildquelle: Arburg)

Um Hybridbauteile auch in kleineren Serien wirtschaftlich produzieren zu können, sind modulare Produktionsanlagen gefragt. Und genau darum ging es bei dem BMBF-Projekt Mopahyb. Ziel war die Entwicklung eines Baukastensystems aus unterschiedlichen Maschinenkonzepten und Leichtbau­technologien, um daraus individuelle und über OPC UA vernetzte Anlagen für die Serienfertigung thermoplastischer Hybridbauteile schnell konfigurieren und realisieren zu können.

Die Pilotanlage beim Fraunhofer ICT in Pfinztal – eine gemeinsame Entwicklung mehrerer Partner aus Industrie und Forschung – verbindet unter anderem eine speziell entwickelte Bolt-on-Langfaser-Spritzeinheit der Größe 4600 von Arburg mit einer vertikal arbeitenden 3.600 t-Spritzpresse von Dieffenbacher, Eppingen. Um deren Leistungsfähigkeit und Flexibilität zu belegen, wurden als Demonstrator eine Sitzlehne und ein Unterboden aus CFK gefertigt.
Der Prozess beginnt mit dem Platzieren von Metalleinlegern in das Werkzeug der Spritzpresse. Gleichzeitig wird mehrlagiges Tape aufgeheizt, im Greifer des Robotsystems vorgeformt und im Werkzeug final umgeformt. Bei geschlossenem Werkzeug spritzt die FDC-Spritzeinheit PP-Schmelze mit inline zugeschnittenen Glasfasern ein. Dank der Kombination von Spritzpressen und FDC-Verfahren lassen sich bisher nicht herstellbare Bauteildimensionen und -komplexitäten realisieren. Zudem ergeben sich neue Möglichkeiten für das wirtschaftliche Fertigen lokal endlosfaserverstärkter Spritzgießbauteile und von flächigen Bauteilen aus Tape oder Organoblech mit integrierten Funktionen.

Prozesskette für Großserienfertigung

Demonstrator einer Innentürverkleidung im Multi-Material-Design. (Bildquelle: Arburg)

Demonstrator einer Innentürverkleidung im Multi-Material-Design. (Bildquelle: Arburg)

Mit Multi-Material-Design für E-Fahrzeuge der Zukunft beschäftigt sich Forel. Im Rahmen dieser national übergreifenden offenen Plattform für Hightech-Leichtbau-Systemlösungen hat der Maschinenbauer zwei Forschungsprojekte gemeinsam mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (IKL) der Technischen Universität Dresden realisiert. Bei Sampa geht es um die integrale Fertigung hybrider Sandwichstrukturen im Partikelschaum-Verbundspritzgießen für die Großserie. Entwickelt wurde eine innovative Fahrzeugtürverkleidung mit geschäumten und umspritzten Bauteilen. Dabei wurde eine neue Prozesskette zum kombinierten Verarbeiten von Kunststoffen im Partikelschäumen und Spritzgießen entwickelt. Durch das Umspritzen lässt sich der leichte EPP-Schaum zusätzlich funktionalisieren. Für die Montage der Komponenten wurden beispielsweise Inserts aus Metall und Kunststoff in die Schaumkomponente eingebracht, die eine werkstoffgerechte Lastaufnahme vom Griff direkt in den Aluminium-Türquerträger erlaubt. Außerdem lassen sich elektronische Elemente wie Display, Mini-PC, Beleuchtung und Kabel in den EPP-Grundkörper integrieren.

Organobleche neuartig greifen

Biegeschlaffe Organobleche benötigen eine spezielle Greifertechnologie. (Bildquelle: Arburg)

Biegeschlaffe Organobleche benötigen eine spezielle Greifertechnologie. (Bildquelle: Arburg)

Das FDC-Verfahren kann auch mit Organoblechen kombiniert werden. Beim innovativen Faserverbund-Baukastensystem des Forel-Projekts Fupro werden Organobleche, Faserverbund-Hohlprofile aus Faser-Thermoplast-Verbundwerkstoff und Spritzgießformmasse zu hochintegrativen Mehrkomponenten­strukturen zusammengefasst. Für die entwickelte hochautomatisierte Prozesskette wurde Fupro im Jahr 2019 mit dem AVK-Innovationspreis und dem Materialica-Award in Gold ausgezeichnet. Das Beispiel einer Pkw-Rückenlehne zeigt das Potenzial dieser Leichtbaulösung für E-Fahrzeuge der Zukunft auf. Zum Einsatz kam eine hydraulische Spritzgießmaschine Allrounder 920 S mit FDC-Ausstattung. Zudem war Arburg an der Umsetzung einer neuartigen Greifertechnologie beteiligt. Denn im Verlauf der Projektarbeiten stellte sich heraus, dass das Handhaben, Stabilisieren und Drapieren – also die dreidimensionale Vorformung der Organobleche – eine spezielle Greifertechnologie am 6-Achs-Roboter erforderlich machte. In Kombination von Aluminium mit Kunststoffkomponenten, die ein Freeformer im AKF-Verfahren additiv fertigte, kann der Greifer die biegeschlaffen Organobleche sicher handhaben.

Leichtbau bietet Potential

Die Faserverstärkung von Kunststoffen ist im Automobilbau ein elementares Verfahren, um Bauteileigenschaften gezielt in Richtung Leichtbau zu modifizieren. Entwicklungsschwerpunkte sind Kostenreduktion durch Substitution von Metall und Ersatz von technischen Kunststoffen wie PA durch PP, Verbesserung von Rezyklierbarkeit und Energiebedarf und damit das Steigern der Produktionseffizienz.

Über den Autor

Dipl.-Ing. Martin Hoyer

ist Leiter der anwendungstechnischen Entwicklung bei Arburg in Loßburg.