Integrative Prozesskette zur ressourcenschonenden Serienfertigung von Leichtbauteilen aus thermoplastischen Faserverbundkunststoffen für die Fahrzeugindustrie (Inprolight)

1. Zusammenfassung Kernidee des Projekts Inprolight ist die Herstellung von FVK-Rohbauteilen durch Faserspritzen in eine dreidimensionale Form zur Erzeugung eines leicht handhabbaren Preforms mit einstellbarer Faserorientierung, der anschließend in einem Werkzeug verpresst bzw. konsolidiert und abschließend durch Laserschneid- und Schweißverfahren innerhalb zu einem Fertigbauteil vollendet wird. Die Gesamtzeit soll dabei 3 min. betragen. 2. Problemstellung Die Einsparung von Rohstoffen und Energie sowohl bei der Herstellung als auch in der Nutzung von Produkten ist eine immer wichtiger werdende Herausforderung. Gleichzeitig soll dabei die Leistungsfähigkeit der Bauteile erhalten, wenn nicht gar erhöht werden. Dies gilt insbesondere für die Fahrzeugtechnik, bei der zur Reduzierung des Eigengewichtes vermehrt innovative Leichtbaukonzepte zum Tragen kommen, die zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beitragen sollen. Dabei werden vermehrt nicht nur nichttragende Karosseriebauteile aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt, sondern auch Funktionskomponenten aus dem Fahrwerksbereich und sicherheitsrelevante Bauteile wie Sitze aus dem Innenbereich. Ein vernünftiger Mix aus klassischen metallischen Bauteilen und hochstabilen Kunststoffbauteilen kann hier Gewichtseinsparungen von bis zu 42 % bewirken. Innovative Leichtbaukonzepte auf Basis von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) sowie Hybridbauteilen mit einer Kombination aus metallischen und FVK-Komponenten können hierzu einen wesentlichen Beitrag leisten. Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Einsatz der FVK-Bauteile ist jedoch eine deutliche Senkung der Fertigungskosten und der Fertigungszeit bei gleichzeitiger Steigerung der Bauteilkomplexität, um die funktionellen Anforderungen und die Anforderungen einer Serienproduktion zu erfüllen. Dies erfordert einen grundsätzlichen Wandel der Prozessketten zur Herstellung von FVK-Bauteilen, die ähnlich der bisherigen Fertigung von Fahrzeugen in Blechbauweise linienfähig sein müssen. Ein zentraler Aspekt hierbei ist die Automatisierbarkeit von Arbeitsschritten, die zurzeit nur mit hohem manuellem Aufwand durchgeführt werden können. 3. Vorgehensweise Im Projekt INPROLIGHT soll eine innovativen Prozesskette zur schnellen, serientauglichen und automatisierten Fertigung von Strukturbauteilen aus langfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffen mit hohem Leichtbaupotenzial in wenigen Prozessschritten entwickelt werden. Kernidee des hier verfolgten Ansatzes ist die Herstellung von FVK-Rohbauteilen durch Faserspritzen in eine dreidimensionale Form zur Erzeugung eines leicht handhabbaren Preforms mit einstellbarer Faserorientierung, der anschließend in einem Werkzeug verpresst bzw. konsolidiert und abschließend durch Laserschneid- und Schweißverfahren innerhalb zu einem Fertigbauteil vollendet wird. Die Gesamtzeit soll dabei 3 min. betragen. Durch die prozesskettenbegleitende Bauteilauslegung kann das sich ergebende Leichtbaupotenzial optimal genutzt werden. Neben der Einsparung von Material durch Vermeidung von Verschnitt um ca. 30 % und der Gewichtsreduktion der Bauteile von etwa 30 % durch höheres Leichtbaupotenzial birgt das Projekt durch energieeffiziente Einzelprozesse ein enormes Potenzial zur Steigerung der Gesamtenergieeffizienz um 30 %. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Industriepartnern und Forschungsinstituten ermöglicht die Überwindung bisheriger Hindernisse der einzelnen Prozessschritte und damit einen Innovationssprung für die Serienfertigung von Leichtbauteilen aus TP-FVK. Um dies zu erreichen, wird die gesamte Prozesskette fachübergreifend bearbeitet, vernetzt und jeweils durch den Einsatz innovativer Verfahrenstechniken optimiert. 4. Ergebnisse und Anwendungspotenzial Mit der geplanten Prozesskettenverkürzung sollen sowohl dem Komponentenbau als auch der Ausrüsterindustrie neue Impulse gegeben werden, Leichtbauprodukte mit deutlich verringerten Kosten herzustellen und mittelfristig einzusetzen. Besonders der Fahrzeugindustrie mit dem Schwerpunkt Leichtbau-Komponenten werden durch das Projekt neue Fertigungsmöglichkeiten für nachhaltige Bauteile erschlossen, wodurch die Marktposition gestärkt werden kann. Der direkte wirtschaftliche Nutzen des Entwicklungsprojektes liegt sowohl in der Vermarktung der im Projekt untersuchten Maschinen- und Werkzeugtechnik als auch in der direkten Nutzung der entwickelten Technologien für die Produkte der Anwendungspartner.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• GRAMMER Aktiengesellschaft
• Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk e.V. an der RWTH Aachen (IKV)
• Metalsa Automotive GmbH
• Precitec GmbH & Co. KG
• PROFIL Verbindungstechnik GmbH & Co. KG
• Reis Robotics GmbH & Co. KG
• Schmidt & Heinzmann GmbH & Co KG
• Siegfried Hofmann GmbH
• TRUMPF Laser- und Systemtechnik SE
• Weber Fibertech GmbH