Die Entscheidung für Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen wird leichter: Aachener Forscher haben geeignete Fertigungsverfahren und eine Methode zur Vorkalkulation erarbeitet.
Martin Mutz und Florian Schmidt sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT. Die beschriebenen Arbeiten sind Teil des Sonderforschungsbereichs 332
Faserverstärkte Kunststoffe eröffnen dem Konstrukteur neue Möglichkeiten. Dennoch nutzen Maschinenbauer diese bisher selten ein. Die wichtigsten Ursachen hierfür sind Unsicherheit, wie sich die Kunststoffe verarbeiten lassen, und Schwierigkeiten, die Kosten für ein konkretes Bauteil zu ermitteln.
Um diese Probleme zu lösen, haben Wissenschaftler des Aachener Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) zum einen ein lasergestütztes Verfahren entwickelt, mit dem sich faserverstärkte, thermoplastische Halbzeuge bearbeiten lassen. Daneben haben sie Methoden und Instrumente erarbeitet, mit denen sich die Kosten bei der Produktentstehung besser abschätzen lassen.
Ein Vorkalkulationsverfahren wurde speziell für die Arbeit mit faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ausgelegt und ist als Software-Modul realisiert. Es ist Teil des DV-Systems Salomon, das den Anwender in allen Phasen des technischen Produktlebenszyklus unterstützt. Die Programm-Module dieses Systems sind aufeinander abgestimmt.
Für die Kalkulation werden einfache Bauteile durch Standardelemente für Gestalt und technische Merkmale modelliert. In Salomon stehen hierzu 15 Gestaltelemente wie Rohr oder Platte und technische Elemente wie Bohrung oder Nut zur Verfügung. Ein Rohr mit zwei Sacklöchern und einer Aussparung beispielsweise lässt sich durch Rohr, Bohrung und Nut beschreiben. Die Wahlmöglichkeiten reichen aus, um ein weites Spektrum von Bauteilen abzudecken. Diese einfachen Elemente sind in Katalogen hinterlegt, die sich bei Bedarf erweitern lassen.
Zu jedem dieser Elemente sind bauteilspezifische Merkmale erfasst, die die Kosten bestimmen. Beispielsweise werden für das beschriebene Rohr der Innen- und Außendurchmesser sowie die Länge eingegeben. Um die Bohrungen zu beschreiben, reichen Angaben zu Durchmesser und Tiefe aus. Das Material wiederum wählt der Anwender aus einer Liste aus.
Um das Verfahren zu kalibrieren, wurden einige Bauteile detailliert bewertet. Aus diesen Daten ergaben sich Faktoren, mit denen sich die Kosten anderer Bauteile sowie die Gesamtkosten errechnen lassen. Dass die Methode funktioniert, hat sich bereits am Beispiel einer Webblattwelle gezeigt. Die vorkalkulierten Fertigungs- und Materialkosten wichen um weniger als 40 % von detailliert ermittelten Werten ab. Die berechneten Gesamtkosten lagen sehr nahe beim tatsächlichen Wert.
Fertigungssystem: Thermoplastische Halbzeuge wirtschaftlich bearbeiten
Am Aachener Fraunhofer-IPT wurden Fertigungssysteme aufgebaut, um aus faserverstärkten, thermoplastischen Halbzeugen flächige Bauteile herzustellen. Diese Halbzeuge, auch Prepregs genannt, werden mittels Laserenergie im Legeverfahren bearbeitet. Mit den ermittelten Verfahrensparametern lassen sich nun hochwertige Bauteile in einem wirtschaftlich angemessenen Rahmen fertigen.
Carbonfaserverstärkte Materialien sind mit allen Laserquellen problemlos zu qualitativ hochwertigen Bauteilen zu verarbeiten. Diodenlaser bieten jedoch wegen des besseren Wirkungsgrades der Laserquelle entscheidende wirtschaftliche Vorteile. Bei gleichem Materialdurchsatz sinkt der Energieverbrauch auf bis zu 10 %. Auch der im Vergleich zu konventionellen Laserquellen äußerst kompakte Bauraum spricht für diese Lösung, zumal die Anschaffungskosten für Diodenlaser in Zukunft vermutlich erheblich sinken werden.
– Kontakt: Martin Mutz, IPT, Tel. 0241/8904-274
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