Faserverbundwerkstoffe wie Carbon kommen im automobilen Leichtbau vereinzelt zum Einsatz, haben den Sprung in die Serienfertigung jedoch noch nicht geschafft. Die Herstellungskosten für Teile aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind einfach immer noch zu hoch.
Beim Forschungsprojekt „iComposite 4.0“ ist es Schuler und seinen Partnern nun gelungen, die Kosten für ein Prototyp-Teil um mehr als 50 Prozent und die Durchlaufzeit um über 40 Prozent zu reduzieren.
Der Prototyp
Bei dem Referenz-Bauteil handelt es sich um eine Bodenplatte, die unter dem Motor und dem Fahrgastraum eines englischen Sportwagens angebracht ist. Ihre Struktur muss sowohl auf einen Frontalaufprall als auch auf eine hohe Torsionssteifigkeit und die Sitzlast ausgelegt sein. Betragen die Kosten für die herkömmliche Fertigung fast 400 Euro pro Stück, sanken sie bei iComposite 4.0 auf rund 150 Euro. Die Durchlaufzeit verringerte sich von 73 auf 46 min.
Gutteile ab Stückzahl 1
- Im ersten Produktionsschritt, für den das Aachener Institut für Kunststoffverarbeitung zuständig ist, spritzt ein Roboter die Grundstruktur aus Glasfaser auf.
- Ein Algorithmus – entwickelt vom Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) und dem CFK-Anbieter Teijin Carbon – berechnet als nächstes die individuelle Zugfestigkeit.
- Abhängig davon legt dann ein anderer Roboter die Carbonfasern in einem ganz bestimmten Verfahren, das von Siemens und Broetje Automation Composites stammt, und gleicht dadurch Schwankungen der Bauteileigenschaften aus.
- Die optische Kontrolle erfolgt durch ein 3D-Messsystem von Apodius.
- In die Matte aus Verbundfasern, die auf diese Weise entsteht, wird anschließend Harz injiziert.
- Das Harz härtet unter dem hohen Druck der hydraulischen Schuler-Presse aus, die das Bauteil zum Abschluss formt. Dabei fließt auch Werkzeug-Technologie der Spezialisten von Frimo ein. Für die gewünschte Wanddicke kann die Presse die Durchbiegung des Werkzeugs gezielt beeinflussen. Damit lassen sich ab der Stückzahl eins Gutteile herstellen, der Ausschuss reduziert sich also auf null.
Kein Verschnitt und kürzere Durchlaufzeit
Bislang benützen Hersteller von Faserverbund-Teilen Carbon-Matten als Ausgangsmaterial, das zugeschnitten werden muss. Die Ausnutzung kann dabei auf bis zu 50 Prozent sinken; fast die Hälfte der teuren Kohlenstofffasern können die Produzenten also gar nicht verwenden. Bei iComposite 4.0 wird das benötigte CFK vollständig verbraucht, der Verschnitt beträgt null. Gleichzeitig sinkt die Durchlaufzeit, während die Ausbringungsleistung steigt.
Anwendung in der Industrie
Der integrierte RFID-Chip von ID-Systec sorgt für die Rückverfolgbarkeit („Track & Trace“) der Produktionsdaten. Sämtliche Bestandteile der Fertigungslinie, die beim AZL an der RWTH Aachen läuft, sind miteinander vernetzt. Die Erkenntnisse des Forschungsprojekts sollen nun in die industrielle Praxis Eingang finden.
