Leichtbau in Großserie

Wie eine Produktionslinie der besonderen Art die Großserienfertigung thermoplastischer Bauteile ermöglicht.

In der Automobil- und Luftfahrtbranche spielen Faserverbundwerkstoffe eine zunehmend wichtige Rolle. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) entwickelte der Maschinen- und Anlagenbauer Dieffenbacher deshalb eine Produktionslinie zur wirtschaftlichen Serienfertigung lokal verstärkter thermoplastischer Bauteile.

 

Aufgrund ihres geringen Gewichts sind Faserverbundwerkstoffe vor allem in der Automobilindustrie und in der Luft- und Raumfahrt sehr beliebt. Strukturen aus CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) sind zum Beispiel bis zu 70 % leichter als Stahl und 30% leichter als Aluminium. Gleichzeitig sind sie extrem widerstandsfähig und korrosionsbeständig.

 

Das Potenzial, das in glas- oder carbonfaserverstärkten Materialien (GFK und CFK) schlummert, hat auch der Maschinen- und Anlagenbauer Dieffenbacher erkannt. Seine Business Unit Composites fertigt nicht nur Pressen und Produktionsanlagen, sie ist auch an der Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen beteiligt. 

Bereits seit über 25 Jahren arbeitet Dieffenbacher in diesem Bereich mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (Fraunhofer ICT) zusammen. Das unabhängige Forschungsinstitut mit Sitz in Pfinztal bei Karlsruhe vereint verschiedene Forschungsthemen der chemischen Technologie unter einem Dach, darunter auch die Polymerforschung und den Leichtbau. Zur Entwicklung einer neuartigen Produktionslinie entschied sich Dieffenbacher deshalb für die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ICT.

 

Die „Tailored Blank Line“, bestehend aus den Anlagen Fiberforge und Fibercon, stellt Tapegelege aus Leichtbauwerkstoffen her und verbindet diese im Anschluss durch Erhitzen zu einem umformbaren Laminat (Konsolidierung). Dieses kann dann zum Beispiel als Unterbodenverkleidung für Autos genutzt werden: Es verringert das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und ist gleichzeitig stabil genug, um beispielsweise Steinschlägen zu trotzen.

 

In der Fiberforge werden die glas- oder carbonfaserverstärkten Tapes von Spulen abgerollt, zugeschnitten und auf einem Rundtisch nach einem definierten Muster abgelegt. Die Besonderheit der Fiberforge: Sie kann insgesamt vier Spulen aufnehmen. Nicht nur Tapes aus verschiedenen Materialien, sondern auch mit unterschiedlichen Dicken und Breiten innerhalb eines Tapegeleges können dadurch verarbeitet werden. „Es entsteht ein völlig neuer Werkstoff, durch den sogar Metalle wirtschaftlich substituiert werden können“, sagt Dr. Sebastian Baumgärtner, Gruppenleiter Thermoplastverarbeitung am Fraunhofer ICT. Die Fiberforge wird bereits in der Großserienfertigung lokal verstärkter thermoplastischer Bauteile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie genutzt.

27 Achsen präzise koordiniert

Die größte Herausforderung bei der Fiberforge war die Steuerung und Koordination der insgesamt 27 Achsen. Mit der Technologie-CPU Simatic S7-1517TF funktioniert dies jedoch einwandfrei: Die integrierten Motion Control-Funktionalitäten sorgen für eine exakte Positionierung der Tapes selbst bei hohen Geschwindigkeiten.

 

Felix Manger ist Entwicklungsingenieur der Business Unit Composites bei Dieffenbacher und bereits seit vielen Jahren für die Weiterentwicklung der Fiberforge in engem Kontakt mit dem Fraunhofer ICT. „Viele Kunden legen Wert darauf, dass die in den Anlagen verbauten Komponenten aus einer Hand kommen. Deshalb liefern wir ihnen ein konsistentes Automatisierungskonzept, das sich besser betreiben und besser warten lässt“, sagt er.

Unsere Maschinen haben eine lange Lebensdauer und es ist wichtig, dass defekte Komponenten auch nach Jahren noch liefer- und austauschbar sind. Deshalb ist Siemens für uns der perfekte Lieferant.“
Felix Manger, Entwicklungsingenieur der Business Unit Composites bei Dieffenbacher

Vakuumtechnik garantiert hohe Qualität

Durch intensive Analyse der kompletten Prozesskette vom Tape zum finalen thermoplastischen Faserverbundbauteil identifizierte das Fraunhofer ICT im Zuge seiner Forschungsarbeit einen Flaschenhals-Prozess: das Konsolidieren des Tapegeleges. Es gewährleistet eine hohe Qualität des finalen Bauteils und eine reproduzierbare Umformung der Tapes.

 

„Wir haben verschiedene Technologien näher untersucht, letztendlich allerdings unsere eigene Technologie der Vakuumkonsolidierung entwickelt“, erläutert Baumgärtner. Als ergänzende Prozesslinie zur Fiberforge entwickelte Dieffenbacher darauf basierend die großserientaugliche Fibercon. Mit ihr werden die von der Fiberforge gelieferten Tapegelege zum Laminat verbunden. Dank der Vakuumunterstützung werden Lufteinschlüsse und Fehlstellen im Material minimiert und Oxidationsprozesse unterdrückt. So kann eine sehr gute Qualität des Laminats gewährleistet werden. 

Auch bei der Fibercon müssen alle Komponenten reibungslos zusammenarbeiten – von der Steuerung und den I/O-Systemen über die Antriebstechnik bis zu einem modernen Bedienkonzept. Deshalb hat sich Dieffenbacher auch hier für eine durchgängige Lösung von Siemens entschieden. Herzstück der Anlage ist das I/O-System für Heizapplikationen Siplus HCS4300: Es steuert die Infrarotstrahler der Fibercon präzise an, so dass diese ihre optimale Temperatur zum Konsolidieren der Tapegelege sehr schnell erreichen und diese auch exakt halten.  

Thermoplastische Bauteile in Großserie

Zur Großserienfertigung lokal verstärkter thermoplastischer Bauteile wurden Fibercon und Fiberforge schließlich zur „Tailored Blank Line“ zusammengefügt. Zusammen mit nachgeschalteten Systemen wie Handling Roboter und Umformpressen ermöglicht die Produktionslinie die Herstellung von mehr als einer Million Bauteilen pro Jahr.

Picture credits: Siemens AG

Mit über 1.700 Mitarbeitern und 16 Produktions- und Vertriebsstandorten weltweit gilt Dieffenbacher mit Hauptsitz im baden-württembergischen Eppingen als einer der führenden Hersteller von Pressensystemen und kompletten Produktionsanlagen für die Holzwerkstoff-, Recycling-, Automobil- und Luftfahrtindustrie. Die Business Unit Composites hat sich auf die Branchen Automobil und Luftfahrt spezialisiert.

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