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Faserverbund-Fachleute ziehen den Hut vor BMW

AVK-Innovationspreise 2013 gehen an BMW, Volkswagen, Uni Siegen und die Wolfangel GmbH
Faserverbund-Fachleute ziehen den Hut vor BMW

Sie zeigen alljährlich Stand und Entwicklungsrichtung der Faserverbundtechnik an: die begehrten Innovationspreise der AVK. In diesem Jahr krönen sie die vollendeten Entwicklungsanstrengungen der BMW Group für ihre i-Modellreihe und heben den CFK-Einsatz in der Volkswagen-Produktion hervor.

Die AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V. hat Preise in drei Kategorien und zum zweiten Mal den Preis für einen „besonders attraktiven FVK-Arbeitgeber“ ausgelobt. Sieger in der Kategorie „Innovative Produkte und Anwendungen“ ist die Volkswagen AG mit der aus CFK (Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe) hergestellten Leichtbau-Dachglocke für die Großserienfertigung. Sie ist um 73 % leichter als herkömmliche Dachglocken und reduziert die benötigte Energie um rund 40 %, teilt die AVK mit.

Doch dies ist noch nicht einmal der entscheidende Vorteil. Im Karosseriebau wird das Pkw-Dach, wenn es gefügt werden soll, über eine Dachglocke angehoben und angeformt und lässt sich danach genau auf die Karosserie aufsetzen und fixieren. Durch das reduzierte Gewicht der CFK-Dachglocke kann sich der Hersteller die komplette Portalanlage sparen und stattdessen Industrieroboter einsetzen. So wird es möglich, doppelt so viele Dachvarianten in einer Station zu fertigen. Die Dachglocke von VW wird künftig markenübergreifend in der Serie eingesetzt – ihre ersten Tests absolvierte sie in der Produktion des Golf 7 und ist seither in Wolfsburg in Betrieb.
Die BMW Group erhält den AVK Award 2013 in der Kategorie „Prozesse/Verfahren“ für „die kontinuierliche Weiterentwicklung und Automatisierung von Fertigungsprozessen für CFK-Bauteile“. Mit der Produktion im Werk Landshut hat der Automobilhersteller als erster die Fertigung von ultraleichten Carbonbauteilen in einer Großserie industriealisiert. Für die neuen „BMW i“-Modelle wird Landshut rund ein Drittel der Karosserie-Komponenten aus CFK liefern. Weitere zwei Drittel werden direkt am Montageort der Fahrzeuge in Leipzig hergestellt.
Ausgangspunkt der CFK-Produktion ist der Precursor, eine Textilfaser aus Polyacrylnitril. In einem mehrstufigen Prozess werden alle Elemente gasförmig gespalten, bis nur noch eine aus fast reinem Kohlenstoff bestehende Faser mit stabiler Graphitstruktur existiert. Daraus entstehen spezielle Gelege. Im anschließenden Prozess erhalten die flachen Gelege ihre dreidimensionale Struktur, die Preform. Aus diesen Lagenpaketen entstehen hochintegrierte, großflächige Karosseriebauteile, die sich sonst nur aus Aluminium oder Stahlblech realisieren ließen: Durch Hochdruck Resin Transfer Moulding (RTM) erhalten sie ihre Steifigkeit und die weiteren Werkstoffeigenschaften.
Das Imprägnieren der Fasern mit Harz im RTM-Prozess ist dabei ein hochkomplexer Prozess. BMW hat dazu eigene Prozess- und Verfahrens- sowie Werkzeug- und Anlagenkonzepte entwickelt. Zuletzt folgen Feinarbeiten wie das saubere Zuschneiden der Bauteilkontur und das Setzen von Öffnungen durch Wasserstrahl-Schneiden und -Bohren.
Der Leichtbau mit CFK-Bauteilen ist besonders bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit ihrer schweren Batterie sehr wichtig. CFK ist bei mindestens gleicher Festigkeit ungefähr 50 % leichter als Stahl und 30 % leichter als Aluminium. Der großflächige Einsatz des Carbon-Materials bei BMW ist bisher einzigartig. Der Autohersteller hat auch ein bislang einmaliges Recyclingkonzept für sortenreine Produktionsabfälle erarbeitet, teilt die AVK mit. Damit könne ein wesentlicher Anteil der Fasern wieder in die Prozesse eingebracht werden.
In der Kategorie „Forschung/Wissenschaft“ erzielt der Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Siegen den ersten Platz für die Entwicklung des vollautomatisierten Gleitziehbiegens (GZB) für endlosfaserverstärkte Thermoplastprofile. Die Basis bildet eine Umformstation mit spezifischen Werkzeugen und IR-Strahlern: Zunächst wird das plattenförmige Halbzeug aufgeheizt, dann in die Umformstation transferiert, die Werkzeuge werden geschlossen und das Profil gezogen und abgekühlt. Der kontinuierliche Ziehprozess ermöglicht derzeit Geschwindigkeiten von bis zu 15 m/min. Einfache Anlagentechnik und niedrige Betriebskosten machen das Verfahren wirtschaftlich – von der Fertigung von Prototypen bis zur Großserie.
Das GZB funktioniert einfach und kann mit gängigen Komponenten, Antrieben und Sensoren umgesetzt werden. Eine Speicher-Programmierbare-Steuerung regelt den Prozess. Die einzelnen Aktuatoren und Heizfelder können miteinander kommunizieren und so Chargenschwankungen des Halbzeugs (Organobleche) entgegenwirken.
Die Spezialisten der Universität Siegen entwickelten eine Prototypanlage. Durch ihre Erfahrungen können sie kurzfristig weitere GZB-Anlagen wie auch kostengünstige Profile fertigen, die dank Online-Thermografie eine Null-Fehler-Qualität aufweisen. Die Jury des AVK-Innovationspreises schätzt den Realisisierungsgrad des neuen Verfahrens deshalb als sehr hoch ein.
Bei der derzeitigen Prototypanlage liegt die Prozessgeschwindigkeit über 8 m/min und übersteigt damit die Geschwindigkeiten von diskontinuierlichen Thermoformprozessen oder dem Intervallheißpressen von Faser-Kunststoffverbundprofilen um ein Vielfaches, teilt die AVK-Jury mit.
Außerdem betragen die Prozesskräfte nur einen Bruchteil gegenüber vergleichbaren Verfahren zur Profilherstellung: Durch die Reduktion der Werkzeugkontaktfläche sind nur rund 5 kN notwendig, um ein 150 mm breites Organoblech zu imprägnieren/konsolidieren. Vergleichbare Verfahren erfordern dagegen 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 Gleitziehbiegen zu einem flexiblen Fertigungsverfahren, das auch die Herstellung von Kleinserien und Prototypen wirtschaftlich ermöglicht.
Die zu verarbeitenden Halbzeuge sind Verbundwerkstoffe aus Fasern und Thermoplasten. Die Thermoplastmatrix erlaubt im Gegensatz zu Duroplasten das Trennen von Fasern und Matrixmaterial ohne größeren energetischen Aufwand. Außerdem können ausgediente Bauteile aus entsprechenden Materialien geschreddert und als kurzfaserverstärktes Granulat für Spritzgießprozesse verwendet werden. Somit lässt sich das Ausgangsmaterial fast vollständig wiederverwerten. Die Nachhaltigkeit von gefertigten Produkten und Anlage (die bis auf ihre Funktionskomponenten aus Metall besteht) ist also ein weiteres Plus.
Zum zweiten Mal vergibt die AVK einen Preis in der Kategorie „Besonders attraktiver FVK-Arbeitgeber“. Ausgezeichnet wird die Wolfangel GmbH aus Ditzingen, die es schafft, zwischen Größen wie Porsche, Daimler, Bosch und Trumpf gute Mitarbeiter zu finden und zu halten. Als Maschinenbauer mit 20 Mitarbeitern fördert Wolfangel seine größte Stärke: die Mitarbeiter.
Der erste wichtige Baustein sind Personalmanagement-Leistungen, zu denen Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen gehören – gefordert, gefördert und in Mitarbeitergesprächen regelmäßig analysiert und geplant.
Trotz der kleinen Betriebsgröße bildet Wolfangel im kaufmännischen Bereich aus. Quereinsteiger sind willkommen und berufsbegleitende Ausbildungen werden unterstützt. Es gibt Schulungspläne für neue Mitarbeiter sowie Plätze für Praktikanten.
Der zweite Baustein ist die Unternehmenskultur: flexible Arbeitszeiten, Teamgedanke, Netzwerke in Arbeitskreisen und mit Kooperationspartnern. Alle Mitarbeiter können Innovationen einreichen. Zudem fördert Wolfangel die Gesundheit, zum Beispiel auch durch Fahrsicherheitstrainings, Fitnesskurse und weitere Maßnahmen. os
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