Energieeffiziente Produktion funktionsintegrierter thermoplastischer Faserverbundbauteile (EProfit)

1. E-Profit Energieeffiziente Produktion funktionsintegrierter thermoplastischer Faserverbundbauteile
Zusammenfassung
Im Vergleich zu konventionellen Konstruktionswerkstoffen ermöglicht der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) eine Gewichtsreduzierung von ca. 70% bei gleichzeitig verbesserten Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit, Dämpfung, Energieabsorption und chemische Beständigkeit. Für die branchenübergreifende wirtschaftliche Anwendung in volkswirtschaftlich tragenden Sektoren ist die Produktion von FVK-Komponenten mit den derzeitigen Technologien jedoch bislang zu zeit- und kostenintensiv.
2. Problemstellung
Angesichts der weltweiten Klimaschutzziele sowie der zunehmenden Bedeutung einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Ressourcennutzung ist die Optimierung der Energie- und Materialeffizienz von außerordentlicher Wichtigkeit. Insbesondere Leichtbaukomponenten aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen (E-FVK) besitzen das Potenzial, den Energie- und Materialbedarf in technischen Systemen bei gleichen oder verbesserten Eigenschaften signifikant zu reduzieren. Damit ist die Produktion von FVK-Komponenten von strategischer Bedeutung. Im Vergleich zu konventionellen Konstruktionswerkstoffen wie Stahl oder Aluminium ermöglicht der Einsatz von FVK eine deutliche Gewichtsreduzierung von bis zu 70% bei gleichzeitig verbesserten statischen (Steifigkeit, Festigkeit), dynamischen (Dämpfung) und chemischen Eigenschaften (Korrosion). Die FVK-Technologie konnte sich bisher insbesondere in Bereichen von High-Tech-Produkten mit geringen Stückzahlen durchsetzen (Luft- und Raumfahrt, Sport), wo eine entsprechende Akzeptanz bezüglich der noch resultierenden Mehrkosten existiert. Für die branchenübergreifende wirtschaftliche Anwendung in volkswirtschaftlich tragenden Sektoren wie dem Transportwesen ist die Produktion von FVK-Komponenten durch den Einsatz von konventionellen Matrixsystemen (Duroplaste), Faserverstärkungen (Gewebe, Geflechte) und Verarbeitungsprozessen (Injektions- u. Autoklaverfahren) zu energie-, zeit- und personalintensiv.
3. Projektziele
Ziel des Verbundprojektes »E-Profit« ist die Entwicklung eines Produktionssystems, inklusive Organoblechproduktion, Multi-Funktions-Umformwerkzeug, Qualitätsicherungs- und Handhabungssysteme für die wirtschaftliche sowie energie- und ressourceneffiziente Herstellung integraler Blechstrukturen aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen (E-FVK). Angestrebte Zielgrößen für das Gesamtsystem sind Zykluszeiten von << 2min, Durchlaufzeiten von ca. 5 min und minimale Verschnittraten (ca. 3%). Demonstriert wird die Produktion anhand der Herstellung von Leichtbaukomponenten für das Transportwesen wie Sitze, Batteriekästen und Strukturelementen für Bus und Bahn. Bei diesen Demonstratoren sollen bis zu 50 % Gewicht sowie 30 % Energie über den Produktlebenszyklus im Vergleich zum Stand der Technik eingespart werden. 4. Vorgehensweise Zur Erreichung der Ziele werden ungekrümmte unidirektionale Endlosfasern verwendet, welche mit einer thermoplastischen Matrix vorimprägniert sind (UD-Prepregs, Tapes). Aus diesen Tapes werden zunächst belastungs- und verschnittoptimierte Halbzeuge (BVO-Organobleche) hergestellt und anschließend in einem Umformprozess zum fertigen Bauteil verarbeitet (inkl. Funktionalisierung u. Besäumung). Neben der Entwicklung des Verfahrens sowie der Demonstratorsysteme für die BVO-Organoblechproduktion und deren multifunktionale Umformung, werden Messsysteme für die zerstörungsfreie Prüfung bei Materialeingangs-, Halbzeug- und Bauteilkontrolle entwickelt, um konstante und hohe Qualitäten zu gewährleisten. Das Gesamtsystem wird durch die Entwicklung von Handhabungssystemen für Halbzeuge und Bauteile komplettiert. Um eine erfolgreiche Projektbearbeitung zu gewährleisten, werden die Kompetenzen der einzelnen Projektpartner aus den Gebieten Faserverbundtechnik, Formen- und Werkzeugbau, Automatisierungstechnik, Sensortechnologie sowie Anwendungs- und Prozesstechnik in das Projekt eingebracht. Ausgehend von einer Anwendungserprobung erfolgen schließlich technologische und wirtschaftliche Bewertungen sowie Maßnahmen zum Technologietransfer. 5. Ergebnisse und Anwendungspotenzial Nach Projektende werden die einzelnen Demonstratorsysteme synchronisiert und zu einem großserientauglichen Gesamtsystem weiterentwickelt. Anschließend werden diese Systeme vermarktet und von den Anwendern für die Produktion von Bauteilen eingesetzt. Auch die im Rahmen des Projekts entwickelten Teilkomponenten, wie BVO-Orgaboblech-produktionssysteme, Multi-Funktions-Umformwerkzeuge, Sensoren, Handhabungssysteme, Umformsimulationsmodelle, FVK-gerechte Inserts und Insert-Integrationssysteme werden im Anschluss an das Projekt von den einzelnen Projektpartnern auch für andere Anwendungsbereiche weiterentwickelt.

• ASS Maschinenbau GmbH
• Bond-Laminates GmbH
• Carl Zeiss Optotechnik GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• GÖPPEL Bus GmbH
• Gubesch Thermoforming GmbH
• PROFIL Verbindungstechnik GmbH & Co. KG
• SONOTEC GmbH
• t+h ingema Ingenieurgesellschaft mbH
• WZL Aachen GmbH