Ressourceneffiziente Temperierung von Großserien-Werkzeugen zur Fertigung großflächiger Faserverbundbauteile (ResWer)

Problemstellung
Mit wenig Material maximale Festigkeit und Funktionalität zu erzeugen, ist das Ziel der Entwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und -bauteile. Besonders im Fahrzeugbau und in der Luft- und Raumfahrt findet dieser Grundsatz bei der Konstruktion von Strukturbauteilen, wie z. B. einer Fahrzeug-Bodengruppe Anwendung. Zu modernen Leichtbau-Werkstoffen zählen u. a. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), die in speziellen Formwerkzeugen unter hohen Temperaturen und starkem Druck form- und festigkeitsgebend zu faserverstärkten Kunststoffen (FVK) verarbeitet werden. Die erforderliche gesteuerte Temperierung solcher Werkzeuge konnte bislang jedoch mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht zufriedenstellend gelöst werden, da thermisch neuralgische Stellen mit gebohrten Temperierkanälen nicht erreicht werden können.

Projektziel
Diese problematik führte das KMU-innovativ Projekt ResWer zu einer praktikablen Lösung. Durch die Entwicklung eines innovativen Formenbau- und Gießverfahrens und neuartiger Gusswerkstoffe konnte erstmals die Herstellung optimierter Formwerkzeuge mit einer großflächigen und gleichzeitig filigranen Werkzeugtemperierung realisiert werden. Der Materialeinsatz und Energiebedarf sowohl in der Werkzeugherstellung als auch im Fertigungsprozess können damit erheblich reduziert werden.

Vorgehensweise
Die geometrischen, dreidimensionalen Gestaltungsfreiheiten des generativen Fertigungsverfahrens -Laserstrahlschmelzen- wurden dafür mit dem Gießprozess kombiniert und adaptiert. Damit ist nunmehr die Herstellung eines optimal ausgelegten Werkzeugtemperiersystems aus metallischen Pulverwerkstoffen möglich. Die so erzeugten Kanalstrukturen können in das Formwerkzeug bei dessen gießtechnischer Herstellung eingebettet werden. Dazu erfolgten umfangreiche Werkstofferprobungen und -optimierungen. Eine neuartige Fertigungsprozesskette wurde entwickel und beispielhaft erprobt. Das hergestellte Prototypwerkzeug konnte im Projekt beispielhaft zur Herstellung einer Batterieabdeckung für die Elektromobilität mit großen Ab-messungen von ca. 1200mm x 1000mm eingesetzt werden.

Erwartete Ergebnisse und Anwendungspotential
Mit den Entwicklungen von ResWer wurden wesentliche technologische Fortschritte bei der Herstellung gegossener Formwerkzeuge mit integrierten Temperiersystemen erzielt. Durch die innovative Prozessführung können FVK-Bauteile nunmehr in kurzen Fertigungszyklen und wirtschaftlich im Großserienmaßstab hergestellt werden. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Herstellung großflächiger funktionsgerechter Leichtbauteile aus Faserverbundwerkstoffen für Produkte unterschiedlichster Branchen, wie z. B. Luftfahrt, Automotive und auch Wasserfahrzeuge.

• Direkt Form Projektgesellschaft mbH
• Edelstahlwerke Schmees GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• ZVZ-Composite Werkzeug- und Vorrichtungsbau GmbH