AVK-Innovationspreise: erste Plätze für VW, BMW und Uni Erlangen

Die Preise wurden bei der internationalen AVK-Tagung, die vom 16. bis 17. September im ICS Internationalen Congresscenter Stuttgart stattfand, vergeben. Gleichzeitag fand dort auch die Messe Composites Europe statt.

Der erste Platz in der Kategorie „Innovative Produkte bzw. Anwendungen“ geht an die Volkswagen für die Entwicklung der Leichtbau-Dachglocke aus kohlefaserverstärktem Kunststoff für die Großserien-Fertigung. Im Bereich „Innovative Prozesse bzw. Verfahren“ wird die BMW Group für die weltweit erste industrialisierte Prozesskette zur Herstellung von CFK-Bauteilen in der automobilen Großserie ausgezeichnet. Den ersten Platz in der Kategorie Forschung/Wissenschaft geht an den Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen, Fakultät IV, Department Maschinenbau, für die Entwicklung des vollautomatisierten Gleitziehbiegens für endlosfaserverstärkte Thermoplastprofile. Die Innovationspreise wurden im Rahmen der Fachmesse Composites Europe überreicht.

Volkswagen: Leichtbau-Dachglocke für die Großserien-Fertigung
Der Automobilkonzern wird dafür ausgezeichnet, dass es mit der innovativen Leichtbau-Dachglocke möglich ist, das Gewicht von Dachglocken für die Serienproduktion von Pkw um 73 % zu reduzieren und somit die benötigte Energie um rund 40 % zu senken. Im Karosseriebau wird das Pkw-Dach, welches gefügt werden soll, über eine Dachglocke angehoben und angeformt. Danach wird es genau auf die Karosserie aufgesetzt und fixiert. Für jede Pkw-Dachvariante ist eine individuell darauf abgestimmte Dachglocke notwendig. Durch die Reduktion des Gewichtes der neuen Leichtbau-Dachglocke aus CFK können sich Hersteller die komplette Portalanlage sparen und stattdessen Industrieroboter einsetzen. Dadurch können doppelt so viele Dachvarianten in einer Station gefertigt werden. Die Dachglocke von Volkswagen wird in einer Serienanlage eingeführt und die innovative Bauweise künftig markenübergreifend in Serie eingesetzt.

Die Leichtbau-Dachglocke wurde bis Ende 2012 in der Faserverbundbauweise umgesetzt und seit Anfang 2013 mit allen notwenigen Systemen ausgerüstet. Bei der Produktion des Modells Golf 7 wurde sie erfolgreich getestet. Seit diesem Serienanlauf wird sie im Karosseriebau dieser Serie in Wolfsburg eingesetzt. In der Konzeptionsphase wurde berücksichtigt, dass man die Bauweise für weitere Serienmodelle des Konzerns anpassen kann. Inzwischen wurde sie mit geringen zusätzlichen Anpassungen für fünf weitere Fertigungslinien umgesetzt.

Faserverbundwerkstoffe konnten sich bisher im Karosseriebau mit seinen hohen Anforderungen an die Präzision, Robustheit und Wartungsfreundlichkeit nicht durchsetzen. Volkswagen hat mit der Entwicklung der Leichtbau-Dachglocke nun mit innovativen technischen Lösungen bewiesen, dass sich dies ändert. Die faserverbundspezifischen Eigenschaften wurden so genutzt, dass das Gewicht – bei gleicher Genauigkeit und höherer Prozessgeschwindigkeit – um 73 % gesenkt wurde. Deshalb können Roboter anstatt Portalanlagen eingesetzt werden. So konnte nicht nur der Fertigungsprozess beschleunigt werden, sondern auch doppelt so viele Dachvarianten ohne Umrüstung gefügt werden. Dank der starken Gewichtsreduktion können rund 40 % Energie eingespart werden.

Der Automobilkonzern hat bewiesen, dass Faserverbundstoffe in Großbetriebsmitteln sehr wohl eingesetzt werden können. Dieses Potenzial ergibt sich für weitere leichte Betriebsmittel wie Spannvorrichtungen oder Greifer in der Automobilfertigung ebenso wie in anderen Industriebranchen.

BMW: CFK-Bauteile in der automobilen Großserie
Für die kontinuierliche Weiterentwicklung und Automatisierung von Fertigungsprozessen für CFK-Bauteile (Bauteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff), die nun auch die wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Großserienfertigung von Karosseriekomponenten aus Kohlenstofffaserwerkstoffen ermöglicht, wird die BMW Group mit dem ersten Platz in der Kategorie „Innovative Prozesse bzw. Verfahren“ ausgezeichnet. Verantwortlich dafür ist die Abteilung Einkauf, Produktion und Technologie CFK um deren Leiter Johann Wolf, die durch eine intensive Werkstoff-, Prozess- und Verfahrensentwicklung in den vergangenen zehn Jahren die große Kompetenz von BMW in CFK-spezifischen Fertigungsprozessen, zielführendem Werkzeugeinsatz und der Optimierung von Zykluszeiten erarbeitet hat (siehe auch Plastverarbeiter-News vom 24.9.2013).

Ausgangspunkt der CFK-Produktion ist der Precursor, eine Textilfaser aus Polyacrylnitril. In einem mehrstufigen Prozess werden alle Elemente der Faser gasförmig gespalten, bis nur noch eine sehr dünne, aus fast reinem Kohlenstoff bestehende Faser mit einer stabilen Graphitstruktur besteht. Daraus entstehen spezielle Fasergelege. Im anschließenden Preform-Prozess erhalten die flachen Gelege ihre dreidimensionale Struktur. Diese vorgeformten Lagenpakte werden dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt. Dadurch lassen sich mit CFK hochintegrierte und großflächige Karosseriebauteile herstellen, die sich sonst nur mit großem Aufwand aus Aluminium oder Stahlblech realisieren ließen. Die vorgefertigten Aufbauten werden dann dem Hochdruck Resin Transfer Moulding (RTM) zugeführt. So erhält das Material seine Steifigkeit und die entsprechenden Eigenschaften. Die Imprägnierung der Fasern mit dem Harz ist ein hochkomplexer Prozess. BMW hat dazu eigene Prozess- und Verfahrens- sowie Werkzeug- und Anlagenkonzepte entwickelt, die eine hohe Produktivität bei gleichzeitig sehr hoher Qualität ermöglichen. Abschließend folgen noch Feinarbeiten wie das saubere Zuschneiden der Bauteilkontur sowie die Integration von Öffnungen. Dies geschieht bei dem Automobilhersteller mit Wasserstrahl-Schneideanlagen, welche verschleißfreies Schneiden und Bohren ermöglichen.

Der konsequente Leichtbau mit CFK-Bauteilen ist besonders bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb sehr wichtig. Denn so kann die Reichweite dieser Fahrzeuge erheblich erweitert werden. Wegen der schweren Batterie bei E-Fahrzeugen setzt BMW auf konsequenten Leichtbau und innovativen Materialeinsatz. Dadurch fällt die schwere Batterie insgesamt kaum noch „ins Gewicht“. Der großflächige Einsatz des CFK-Materials ist für die Großserienproduktion eines Fahrzeugs bisher einzigartig. Dabei ist CFK bei mindestens gleicher Festigkeit ungefähr 50 % leichter als Stahl und 30 % leichter als Aluminium. Somit ist CFK das leichteste Material, das sich ohne Sicherheitseinbußen im Karosseriebau einsetzen lässt. Ein weiterer Vorteil: Das Material rostet nicht und ist deutlich langlebiger als Metall. Zudem bleibt es unter allen klimatischen Bedingungen stabil. Ein Hindernis für den Serieneinsatz von CFK-Karosseriekomponenten in Automobilen war bisher das kostenintensive Herstellungsverfahren: Bislang entstanden die Bauteile aus dem vergleichsweise jungen Werkstoff überwiegend in Handarbeit und mit hohem Zeitaufwand. Durch die innovative Prozess- und Verfahrensentwicklung ist es den CFK-Spezialisten des Automobilherstellers gelungen, den Fertigungsprozess für CFK-Bauteile so weiterzuentwickeln und zu automatisieren, dass auch die wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Serienfertigung von Karosseriekomponenten aus Kohlenstofffaserwerkstoffen möglich ist. Damit ist eine der wesentlichen Grundlagen für den verstärkten Einsatz von CFK in Automobilkarosserien geschaffen worden.

So können CFK-Komponenten in großen Volumen erstmals zu wettbewerbsfähigen Kosten im Vergleich zu alternativen Werkstoffen hergestellt werden. Durch die konsequente Entwicklung der Prozesse, Verfahren, Materialien, Anlagen und nicht zuletzt der Mitarbeiter mit dem nachhaltigen Ziel des Großserieneinsatzes hat sich BMW eine einzigartige Technologiekompetenz erarbeitet. Außerdem hat der Konzern im Laufe der intensiven Arbeit mit dem Werkstoff CFK ein weltweit einmaliges Recyclingkonzept für sortenreine Produktionsabfälle bis zur Serientauglichkeit erarbeitet. Ein wesentlicher Anteil der Fasern kann damit wieder in die Prozesse eingebracht werden. Die Umweltauswirkungen aus der Produktion werden dabei so gering wie möglich gehalten.

Uni Siegen – Lehrstuhl für Umformtechnik: Vollautomatisiertes Gleitziehbiegen
Die Basis des Gleitziehbiegens (GTB) faserverstärkter Thermoplaste bildet eine Umformstation mit spezifischen Werkzeugen und IR-Strahlern zur Fertigung von Profilen. Zunächst wird das plattenförmige Halbzeug aufgeheizt, dann in die Umformstation transferiert, die Werkzeuge werden geschlossen und anschließend das Profil gezogen und abgekühlt. Der kontinuierliche Ziehprozess ermöglicht derzeit Geschwindigkeiten von bis zu 15 m/min. Kompakte Werkzeuge und Rüstzeiten von etwa 3 min erlauben den flexiblen und kostengünstigen Wechsel des Profilquerschnitts. Die einfache Anlagentechnik und niedrige Betriebskosten machen das Verfahren von der Fertigung für Prototypen bis zur Großserie wirtschaftlich.

Das GZB funktioniert einfach und kann mit gängigen Komponenten Antrieben und Sensoren umgesetzt werden. Dank einer speicherprogrammierbaren Steuerung wird der Prozess geregelt, die einzelnen Aktuatoren und Heizfelder können miteinander kommunizieren und es wirkt Chargenschwankungen des zugeführten Halbzeugs (Organoblech) entgegen. So entwickelten die Spezialisten der Uni Siegen eine Prototypanlage. Die Erfahrungen damit ermöglichen die kurzfristige Serien-Fertigung weiterer GZB-Anlagen und Profile, die kostengünstig und durch Verwendung einer Thermografie online mit einer Null-Fehler-Qualität gefertigt werden. Somit wird der Realsisierungsgrad des neuen Verfahrens als sehr hoch eingeschätzt.

Um faserverstärkten Thermoplaste (FVT) umzuformen, muss die Kunststoffmatrix aufgeheizt werden. Dazu wurde erstmals eine vollautomatisierte Prototypanlage entwickelt, die aus der Kombination einer Aufheiz- und einer Umformeinheit besteht und in Bezug auf die Konstruktion und den Prozess ein Unikat darstellt. Die Prozessgeschwindigkeit liegt bei der derzeitigen Prototypanlage bei über 8 m/min und übersteigt damit die Geschwindigkeiten von diskontinuierlichen Thermoformprozessen oder dem Intervallheißpressen (bis maximal 1,5 m/min) von Faser-Kunststoffverbundprofilen um ein Vielfaches. Außerdem betragen die Prozesskräfte für das Imprägnieren/Konsolidieren des FVTs aufgrund kompakter Werkzeuge nur einen Bruchteil vergleichbarer Verfahren zur Profilherstellung. Durch die Reduktion der Werkzeugkontaktfläche sind zur Konsolidierung eines 150 mm breiten Organoblechs nur rund 5 kN notwendig. Vergleichbare Verfahren erfordern mehrere hundert kN. Das Umrüsten der GZB-Anlage für andere Profilquerschnitte nimmt durch standardisierte Werkzeuge und die kompakte Bauart weniger als 3 min in Anspruch. Somit machen die geringen Anlagen-, Werkzeug- und Betriebskosten sowie kurze Rüst- und Instandhaltungszeiten das GZB zu einem flexiblen Fertigungsverfahren, das auch die Herstellung von Kleinserien und Prototypen wirtschaftlich ermöglicht.

Die derzeitige Prototypanlage besitzt ausschließlich elektrische Antriebe und bedarf geringer Mengen an Druckluft zur Kühlung von Temperatursensoren. Auf Gefahrstoffe wird völlig verzichtet. Die Anlage selbst besteht mit Ausnahme der elektrischen Komponenten, Druckluftschläuchen und Keramik innerhalb der Heizfelder vollständig aus Metall. Entsprechende Anlagen erfordern daher während ihrer Laufzeit keine besonderen ökologischen Maßnahmen und sind mit Ende der Dienstzeit nahezu vollständig wiederverwertbar. Die zu verarbeitenden
Halbzeuge sind Verbundwerkstoffe aus Fasern und Thermoplasten. Die Verwendung einer Thermoplastmatrix erlaubt im Gegensatz zu Duroplasten das Trennen beider Werkstoffe ohne größeren energetischen Aufwand. Außerdem können ausgediente Bauteile aus entsprechenden Materialien geschreddert und in Form von kurzfaserverstärktem Granulat Spritzgießprozessen zugeführt werden. Eine fast vollständige Wiederverwertung des Ausgangsmaterials ist somit möglich. Somit sind sowohl die Nachhaltigkeit der Anlage als auch die der gefertigten Produkte sichergestellt.

Wolfangel: Besonders attraktiver FVK-Arbeitgeber
Zum zweiten Mal hat die AVK einen Preis in der Kategorie „Besonders attraktiver FVK-Arbeitgeber“ vergeben. Ausgezeichnet wurde die Firma Wolfangel aus Ditzingen/Heimerdingen. Wolfangel ist ein weltweit tätiges Maschinenbauunternehmen mit 20 Mitarbeitern. Um ihre Unternehmensziele wie zufriedene Kunden, attraktive Produkte und ein besonderes Verständnis von Service und Qualität zu erreichen, fördert Wolfangel seine größte Stärke: ihre Mitarbeiter. Die Vorteile des kleinen Unternehmens wie Flexibilität, Innovationen, nachhaltige Personalplanung, Weiterbildung und der ausgeprägte Teamgedanke sind bei Wolfangel sehr wichtig und werden vom Team aktiv gelebt und der Geschäftsleitung gefördert.

Der erste wichtige Baustein sind Personalmanagement-Leistungen, zu denen insbesondere Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen gehören. Der zweite Baustein der Unternehmensphilosophie ist die innovative Unternehmenskultur (die unter anderem flexible Arbeitszeiten, einen ausgeprägten Teamgedanke, eine innovationsoffenes Unternehmensklima). Zudem werden bei Wolfangel Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit (dazu zählen auch Fitnesskurse und weitere Maßnahmen zur Erhaltung und Förderung der Gesundheit und des Wohlbefindens der Mitarbeiter) ganz groß geschrieben.

Die weiteren Preisträger – Plätze 2 und 3
In der Kategorie „Innovative Produkte bzw. Anwendungen“ belegte die italienische Riba Composites mit dem Partner Cifa den 2. Platz mit ihrem Beitrag ‚Carbon fiber reinforced plastic boom for a concrete pumping truck‘. Toho Tenax Europe erreichte den 3. Platz mit ‚Part via Preform -Tenax PvP‘.

In der Kategorie „Innovative Prozesse bzw. Verfahren“ kamen Porsche, HBW-Gubesch Thermoforming und Quadrant Plastic Composites mit dem ‚TPF-Prozess -Thermoplastisches Form Fügen‘. Den 3. Platz belegte Dieffenbacher Maschinen und Anlagenbau mit dem Partner Märtiens Robotec mit dem ‚PreformCenter – vollautomatisierte Preformherstellung für die CFK Bauteilfertigung‘.

In der Kategorie „Forschung/Wissenschaft“ ging der 2. Platz an das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen mit ‚Inline-Imprägnieren: Maßgeschneiderte Organobleche individuell aufbauen und mittels Doppel-Diaphragma-Umformverfahren direkt zu Bauteilen verarbeiten‘. Der Lehrstuhl für Kunststofftechnik der Universität Erlangen-Nürnberg mit den Partnern Audi, Bielomatik Leuze, Christian Karl Siebenwurst, HBW-Gubesch Thermoforming, Lanxess, Neue Materialien Fürth und der Firma Schaumform erreichte den 3. mit dem ‚Twin-O-Sheet-Verfahren zur Herstellung großvolumiger, funktionalisierter und hochbelastbarer Verbundhohlkörper mit gewebeverstärkten Thermoplasten in verkürzter Prozesskette‘ (siehe Plastverarbeiter-News vom 25.9.2013).

(dw)

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