Mit der additiven Fertigung lassen sich mittlerweile Dinge in allen möglichen Formen und Farben herstellen – transparent, biegsam oder fest. Die 3D-Drucker verarbeiten Kunststoff, Metall sowie Sand.

Laut ING-Bank könnten 2040 knapp die Hälfte aller Güter mit additiven Verfahren hergestellt werden. PwC kommt in einer Studie von 2018 zu dem Schluss, dass das Marktvolumen für gedruckte Bauteile bis 2030 auf etwa 22 Milliarden Euro steigen könnte. Das Potenzial scheint nach wie vor enorm.

Es stellt sich jedoch die Frage, wie realistisch solche Prognosen sind. Denn lange Zeit sah es nicht so aus, als hätte der 3D-Druck – abseits von Optimisten und Tüftlern – überhaupt eine ernst zu nehmende Chance. Stattdessen erlebte er die klassische Karriere eines Hype-Themas. Zunächst der Höhenflug: Jetzt scheint alles möglich, zum Beispiel das neue Handy zuhause einfach selbst auszudrucken. Nachdem sich diese und andere Erwartungen nicht erfüllten, folgte die zweite Phase: Die Technologie geriet aus dem Fokus der Öffentlichkeit. Das tat ihr offensichtlich gut. Denn abseits des Scheinwerferlichts wurde sie stetig weiterentwickelt und verbessert.

Der 3D-Druck ist angekommen und erobert sich in immer mehr Branchen Raum. Das ruft natürlich neue Player auf den Markt. Wer jetzt aber an junge Start-ups denkt, hat nur bedingt Recht. Arburg hat es 2013 vorgemacht, in diesem Jahr folgt KraussMaffei: Der Maschinenhersteller präsentierte auf der K 2022 seine Lösungen für die additive Fertigung.

 Traditionell trifft sich die 3D-Druck-Szene Mitte November auf der Formnext. Die ist zwar deutlich kleiner als die Kunststoffmesse in Düsseldorf, aber nicht weniger spannend. Wir geben im Special dieser Ausgabe (ab. S. 22) einen Einblick, was die Besucher in Frankfurt erwartet und über welche Themen die additive Fertigung darüber hinaus derzeit spricht.

Melanie Ehrhardt [<a href="mailto:melanie.ehrhardt@hanser.de">melanie.ehrhardt@hanser.de</a>]

Melanie Ehrhardt [<a href="mailto:melanie.ehrhardt@hanser.de">melanie.ehrhardt@hanser.de</a>]

Editorial Ehrhardt

Ehrhardt, Melanie

Auf der K 2022 verleiht der GKV/TecPart elf Mal seinen Innovationspreis

Acht Unternehmen wurden am ersten Tag der K-Messe mit dem TecPart-Innovationspreis 2022 ausgezeichnet, eines davon doppelt und ein weiteres sogar dreifach.

Acht Unternehmen wurden am ersten Tag der K-Messe mit dem TecPart-Innovationspreis 2022 ausgezeichnet, eines davon doppelt und ein weiteres sogar dreifach. Das Gewinnerfeld dominieren wie bei der letzten Preisverleihung vor drei Jahren kreative Spritzgießlösungen vorwiegend aus dem Fahrzeugbau. In die Riege der Top-Innovatoren haben es aber auch ein Arbeitsschutz- und ein Haushaltsgerätehersteller geschafft.

Am 4. August hatte eine fünfköpfige Expertenjury in Würzburg unter zahlreichen eingesandten Wettbewerbsteilen die diesjährigen Gewinner des TecPart-Innovationspreises gekürt. In die Phalanx der neun mit Spitzenwertungen prämierten Spritzgussbauteile konnten sich diesmal nur zwei Tiefziehteile drängen, beide vom selben Hersteller – vor drei Jahren lag die Quote noch bei neun zu vier. Auch bei den Spritzgießunternehmen gab es – mit sogar drei Auszeichnungen – einen Mehrfachpreisträger. Dies ist möglich, weil die eingereichten Bauteile anonymisiert bewertet werden.

„Die Wettbewerbsdichte hochwertiger Bauteile war in diesem Jahr so groß wie noch kaum zuvor, letztendlich entschieden Nuancen darüber, wer sich das prestigeträchtige Plexiglas-K in die Vitrine stellen kann“, betont GKV/TecPart-Geschäftsführer Michael Weigelt. Der seit 1974 ausgelobte TecPart-Innovationspreis stellt die Bedeutung und Funktion der meist technischen Teile heraus, die oftmals innerhalb komplexer Baugruppen als einzelnes Teil oder System unsichtbar bleiben. In der diesjährigen Wertung trifft diese Beschreibung für sieben Produkte aus dem Fahrzeugbau und eines aus einem Haushaltsgerät zu. Dazu kommen zwei unübersehbare Bauteile ebenfalls aus dem Fahrzeugbau – und eines, das den anderen auf der Nase tanzt.

Ventilblock in Anhängerbremssystem für Nutzfahrzeuge

<a href="https://www.roeders.com">G. A. Röders GmbH & Co. KG, Soltau</a> Verwendetes Material: PBT-GF30 Fertigungsverfahren: Spritzgießen, Ultraschallschweißen, Montage, Lasern Hauptinnovation: Einsatz verschiedener Kühltechniken zur Verkürzung der Zykluszeit bei der Herstellung der dickwandigen Bauteile

Ursprünglich war der Ventilblock, der in einem Anhängerbremssystem für Nutzfahrzeuge zum Einsatz kommt und die Luftverteilung auf die einzelnen Bremsen regelt, als ein einziges Bauteil geplant. Um dieses komplexe technische Kunststoffteil überhaupt herstellen zu können, musste es in vier einzelne Bauteile aufgeteilt werden, deren Bezeichnungen ihren Platz in der Baugruppe angeben: Main Body, Ovas Body, Top Body und Bottom Body.

Herausforderung dabei: Die Einzelteile müssen maßlich aufeinander abgestimmt werden, damit sie mit den entsprechenden O-Ringen zu einer druckdichten Baugruppe montiert werden können. Sich verschneidende Bohrungen müssen so gestaltet werden, dass an den Abdichtungen der Kerne kein Grat entsteht – ein dreidimensionales Puzzle der besonderen Art.

Die Aufteilung des Ventilblocks in vier Einzelteile dient zuvorderst dem Zweck, die Wanddicken zu reduzieren. Um die teilweise dennoch vorhandene erhebliche Dickwandigkeit der Bauteile aufzufangen und eine ökonomisch akzeptable Zykluszeit zu erzielen, kombinierte Röders mehrere Kühltechniken wie Jet-Cooling, konturnahe Temperierung und die Verwendung von wärmeleitfähigen Werkzeugstählen und Kupferkernen miteinander. In der kunststoffgerechten Auslegung wurde ebenfalls berücksichtigt, dass der Kunde beim Ovas Body an den Anschlussstutzen Quickkonnektoren einpresst. Damit die Stutzen beim Einpressen nicht platzen, hat Röders in der Formtrennung Überläufe an den Stutzen angebracht, um die Faserorientierung positiv zu beeinflussen. Die Überläufe werden nach der Entnahme aus dem Werkzeug automatisch entfernt.

Die Baugruppe wird aus einem mit 30 % Glasfasern verstärkten PBT (Typ: Ultradur B 4030 G6; Hersteller: BASF) in automatisierten Fertigungszellen hergestellt. Alle Einzelteile entstehen auf Arburg-Spritzgießmaschinen mit 1300 bzw. 2000 kN Schließkraft, der größere Hauptkörper (Main Body) in einem 1-fach-Werkzeug, alle anderen, eher flachen Teile in einem 2-fach-Werkzeug. Beim Spritzgießen gilt es multiple Anforderungen zu erfüllen, um die eng definierten Maß- und Positionstoleranzen sowie die nötige Ebenheit und Oberflächenqualität zu erreichen. Einer der prozesstechnischen Kniffe besteht darin, den Fließfrontverlauf beim Einspritzen so zu steuern, dass sich berührende Kerne durch den Einspritz-druck zusammen- und nicht auseinandergedrückt werden, um Gratbildung zu vermeiden.

Neben der Abtrennung des Überlaufs vom Ovas Body gibt es auch beim Bottom Body einen zusätzlichen Arbeitsschritt: Hier wird eine Bohrung mit einem Deckel durch Ultraschallschweißen verschlossen. Nach dem Spritzgießen des Main Body folgen einige weitere automatisierte Arbeitsgänge: Der Anguss wird entfernt, in der nächsten Station werden Federhülsen in das Bauteil eingepresst, ehe es mit einem DataMatrix-Code belasert und in einen Blister verpackt wird. Auch die anderen Bauteile werden jeweils einzeln verpackt und an den Kunden ausgeliefert, der dann weitere Teile wie Dichtungen oder Kolben montiert und den Ventilblock zusammenbaut. Die Montage erfolgt durch Schrauben – dafür sind die Federhülsen im Main Body.

<a href="https://www.bbp-online.de/" target="_blank">BBP Kunststoffwerk Marbach Baier GmbH, Marbach am Neckar</a> Verwendetes Material: PA6-GF35 Fertigungsverfahren: Spritzgießen Hauptinnovation: Umspritzen von vier rotationssymmetrischen Stahldiskusscheiben mit Toleranzen im Hundertstelbereich

Das ausgezeichnete Bauteil wird im Rahmenheck des Mercedes-Benz Axor verbaut. Im Integralheckträger sind einige Fahrzeugkomponenten wie Batterien oder Vorratstanks für Druckluft am Heck der Sattelzugmaschine zusammengefasst. Diese Anordnung – oft werden die Batterien stattdessen neben dem Rahmen verbaut – schafft an den Fahrzeugseiten Raum für den Einsatz größerer bzw. zusätzlicher Kraftstofftanks. Nicht weniger wichtig: Auf diese Weise liegt beim Bremsen in Leerfahrt, wenn die Zugmaschine ohne Auflieger unterwegs ist, mehr Gewicht auf der Hinterachse; dies reduziert die Überschlagsneigung und verkürzt den Bremsweg. Das Trägerbauteil nimmt in diesem Fall zwei 24-V-Fahrzeugbatterien à 75 kg auf sowie drei Druckluftspeicher à 7 kg, die das Fahrzeugbremssystem und die Luftfederung versorgen. Die Bauteilgeometrie ist für alle damit verbundenen relevanten Lastfälle konstruktiv ausgelegt.

Der sogenannte Batterieträger wurde während der Entwicklung, also vor dem Start des Werkzeugbaus, mit unterschiedlichen Softwaretools simuliert. Der Fokus lag dabei auf Festigkeit, Bauteilresonanzen und Kraftfluss an den vier Einspannstellen zum Fahrzeugrahmen. Der Einfluss der Bauteilmasse auf schädliche Schwingungen für die Batterielebensdauer wurde berechnungstechnisch optimiert. Als geeignetsten Kunststoff für den Einsatzfall haben BBP und die Daimler Truck AG ein PA6-GF35 (Typ: Durethan BKV35H2.0 EF 901510; Hersteller: Lanxess) ausgewählt. Mit einem E-Modul (bei Raumtemperatur) von 6700 MPa, einem Biege-E-Modul von 5900 MPa (cond.), einer Biegefestigkeit von 180 MPa (cond.), einer Schlagzähigkeit von 80 kJ/m² und einer Bruchdehnung von 3,5 % erfüllt das glasfaserverstärkte Polyamid die Anforderungen punktgenau.

In einer Spritzgießmaschine mit 20 000 kN Schließkraft (Hersteller: KraussMaffei) werden vier rotationssymmetrische Stahldiskusscheiben umspritzt. Die Stahlscheiben werden dazu vollautomatisch im Werkzeug positioniert und zuvor mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen. Deren Schichtdicke muss bei der Werkzeugabstimmung berücksichtigt werden, mit maßlichen Toleranzen im Hundertstelbereich bei der Lage der Stahldiskusscheiben im Werkzeug die eigentliche technische Herausforderung. Indem BBP dafür einen zuverlässigen Prozess entwickelte, war eine Herstellung im Spritzgießverfahren überhaupt erst möglich.

Der Tonnage der Spritzgießmaschine und den Bauteildimensionen entsprechend ist das 4-Backenwerkzeug 25,2 t schwer – allein die nötigen Schieber wiegen insgesamt 2,5 t. Im Prozess müssen rund 10 % des Werkzeuggewichts kontrolliert und hochpräzise bewegt werden. Das fertige Bauteil selbst wiegt 10,2 kg. Die Gewichtseinsparung gegenüber dem Vorgängerbauteil aus einem PP mit 40 % Langglasfasern beträgt 4,1 kg und somit 28 %. Dies kommt der Nutzlast und CO2-Ersparnis des Fahrzeugs zugute.

<a href="https://www.etm-international.de/" target="_blank">ETM – engineering technologie marketing GmbH, Saalburg-Ebersdorf</a> Verwendetes Material: PBT-GF30 und TPC-ES Fertigungsverfahren: Spritzgießen Hauptinnovation: Herstellung eines in der Regel zweiteiligen Bauteils im Bi-Injektionsverfahren ohne Montageschritt

Die Hauptfunktion dieses Automobilbauteils besteht darin, möglichst verlustarm Reinluft vom Luftfilterkasten zum Turbolader zu leiten, ohne dabei Verunreinigungen durch Undichtigkeiten zu erhalten. Dass dies nicht trivial ist, zeigen die herrschenden Bedingungen im Verbrennungsmotor: Die Reinluftleitung muss zusätzlich die Bewegung zwischen Luftfilterkasten und Turbolader ausgleichen (2,5 mm unter 45°), einen Sensor in Position halten und kurzzeitig 160 °C sowie chemischen Belastungen in Form von Blow-by-Gasen standhalten. Die konstruktive Herausforderung bei der Bauteilentwicklung war der begrenzte Bauraum zwischen Turbolader und Luftfilterkasten sowie die hohe Funktionsintegration innerhalb der vorgegebenen Umgebung.

Um die chemischen und thermischen Anforderungen bestmöglich zu erfüllen, besteht das Bauteil aus einem harten und einem weichen Kunststoff. Damit sie die höchste Verbundfestigkeit erreichen, werden die beiden Materialien im sogenannten Bi-Injektionsverfahren direkt aufeinander gespritzt. Die Weichkomponente, ein thermoplastisches Copolyesterelastomer (TPC-ES, Typ: Arnitel; Hersteller: DSM), kann durch ihre Faltengeometrie die Bewegung ausgleichen, während die Hartkomponente, ein PBT-GF30 (Typ: Arnite; Hersteller: DSM), als sichere Aufnahme für den Sensor dient.

Der Spritzgießprozess, aufgesetzt auf einer Zweikomponentenmaschine von Battenfeld mit 1300 kN Schließkraft, verlangt eine gewisse Finesse, denn die Lage der Trennung zwischen harter und weicher Komponente kann nur in einer auf ca. 4 bis 6 mm Breite begrenzten Übergangszone zwischen Faltenbalg und Sensoraufnahme liegen. Dafür hat ETM in mehreren Iterationsschleifen die Füllsituation mit Moldex3D ausgelegt, um zu gewährleisten, dass die beiden Fließfronten annähernd parallel aufeinandertreffen. Die Konstruktion des Bauteils wurde dabei so ausgelegt, dass der flexible Bereich mittels Einfallkern hergestellt werden kann. Für die richtige Balance wird der Prozess mit Werkzeuginnendrucksensoren überwacht.

Indem ETM das Bi-Injektionsverfahren nutzt, um ein eigentlich zweiteiliges Bauteil einteilig und kompakt herzustellen, kann das Unternehmen die Vorgabe an den begrenzten Bauraum erfüllen und auf zusätzliche Werkzeuge und Fertigungsschritte verzichten. Durch die gewählte Werkstoffkombination erfolgt eine sehr gute werkstoffliche Bindung, weil das TPC im Wesentlichen aus den Polyestern PC und PBT besteht und PBT seinerseits auch die Hartkomponente bildet. Somit kann das Produkt deutlich wettbewerbsfähiger produziert werden und außerdem mit einer signifikant höheren Flexibilität, weil der Faltenbalg mehr Falten beinhaltet, als eine Schweißverbindung es zugelassen hätte. Die Reinluftleitung wurde zum deutschen Patent angemeldet.

Ventilgehäuse für Feststellbremse von Nutzfahrzeugen

<a href="https://roeders.com/" target="_blank">G. A. Röders GmbH & Co. KG, Soltau</a> Verwendetes Material: PBT-GF30 Fertigungsverfahren: Spritzgießen, Ultraschallschweißen, Dichtprüfen Hauptinnovation: Enorme Zykluszeitverkürzung durch Kühlung sehr langer, dünner Kerne mit Jet-Cooling

Der ausgezeichnete „PRV-Body“ – das Kürzel steht für Park Release Valve – ist das Gehäuse eines funktionalen Bauteils, das die Luftversorgung der Feststellbremse bei Lkw regelt. Hergestellt wird es auf einer Arburg-Spritzgießmaschine mit 2000 kN Schließkraft aus einem mit 30 % Glasfasern verstärkten PBT (Typ: Ultradur B 4030 G6; Hersteller: BASF). Das 231 g schwere, sehr verwinkelte und somit hoch komplexe Bauteil stellt hohe Anforderungen an die maßlichen Toleranzen und die Güte der Oberflächen. Eine Maßnahme, um diese zu erfüllen, besteht darin, die langen, dünnen Kerne in der Kavität mit dem sogenannten Jet-Cooling zu kühlen. Dabei wird ein unter Druck stehendes Kältemittel über eine Kanüle in den Werkzeugkern geleitet und dort entspannt. Dadurch verdampft das Kühlmedium (in diesem Fall Wasser) und entzieht der Umgebung Wärme. Einkalkulierter Nebeneffekt: Die Zykluszeit wurde um 25 s verkürzt.

Um die Wanddicken zu optimieren und somit Verzug zu vermeiden, wurde die Bauteilentwicklung kundenseitig mit Simulationen begleitet. Eine besondere konstruktive Herausforderung lag in der Gestaltung der Schweißgeometrien des glasfaserverstärkten Kunststoffs – im Nachfolgeprozess nach dem Spritzgießen müssen am Bauteil fünf zylinderförmige Öffnungen druckdicht verschweißt werden. Hintergrund: Die Druckluft soll durch verschiedene Kanäle zu den Anschlüssen transportiert werden; die Kanäle werden durch Schieber gebildet und müssen anschließend verschlossen werden, damit die Luft zu den Anschlüssen gelangt.

Der Gesamtprozess läuft in mehreren definierten Teilschritten ab. Zu Beginn des Spritzgießzyklus werden die im Endprodukt enthaltenen Metallbuchsen der Anlage zugeführt und automatisch in das 1-fach-Werkzeug eingelegt. Dort werden sie durch pneumatisch betätigte Schieber gehalten. Nach dem Umspritzen der Gewindebuchsen wandert der PRV-Body in die Nacharbeitsstation. Dort werden in einem Arbeitsgang fünf Deckel (ebenfalls aus PBT-GF30) druckdicht mit dem Korpus verschweißt und gleichzeitig ein gesintertes Druckausgleichselement (DAE) eingepresst. Bevor das finale Bauteil verpackt wird, testet eine Prüfstation das System per Differenzdruckprüfung auf Dichtigkeit und misst den Durchfluss durch das DAE.

<a href="https://www.uvex-safety.com/de/" target="_blank">Uvex Arbeitsschutz GmbH, Fürth</a> Verwendetes Material: Polycarbonat (PC) Fertigungsverfahren: Spritzgießen und Beschichten Hauptinnovation: Vollautomatische Herstellung einer einkomponentigen, voll recycelbaren Schutzbrille

Die Zielsetzung, eine einkomponentige Schutzbrille zu konstruieren, erforderte ein gekonntes Zusammenspiel zwischen Bauteilkonstruktion und Werkzeugauslegung, damit die Umsetzung der ergonomischen Ansprüche an ein solches Produkt nicht die Mechanismen der Entformung aus dem Spritzgießwerkzeug behindert. Gelöst hat Uvex diesen potenziellen Konflikt durch Simulation, um im Fertigungsprozess Probleme beim Füllen, Entformen und bei der Entnahme von vornherein auszuschließen. Zum Gelingen des Vorhabens trug ebenso der Umstand bei, dass auch die Ergonomie, hierbei insbesondere die Haltekraft und Flexibilität der scharnierlosen Brillenbügel, simuliert, bewertet und optimiert werden konnte.

Die größte Herausforderung in der kunststoffgerechten Auslegung der Brille mit Seitenschutz betrifft den für den scharnierlosen Bügel notwendigen dünnen Bereich, der zu Stagnation in der Füllsimulation führte. Gleichzeitig sollten die mechanischen Belastungen in diesem Bereich bei der Bügelbewegung reduziert werden, weshalb über die Betrachtung der Flächenträgheitsmomente eine ideale Querschnittsgeometrie gefunden wurde. Die Scheiben sind nach optischer Auslegung 2,0 bis 2,6 mm dick (um deren Beschussfestigkeit sicherzustellen), der Scharnierbereich ist 1,3 mm dünn (um dessen Funktionalität zu gewährleisten) und das Bügelende ist wieder 2,0 mm dick (für eine angenehme Ohrauflage). Zuletzt wurde das Entformungskonzept optimiert, um am Produkt keine scharfkantigen Bereiche zu haben, die in Kontakt mit dem Gesicht stehen.

Die Schutzbrille wird zunächst in einem komplexen und automatisierten Herstellprozess gespritzt, sodann beschichtet, laserbeschriftet und verpackt. Beim konventionellen Spritzgießprozess im 2-Kavitäten-Werkzeug gilt es vor allem die hohen Anforderungen an die optische Qualität der Brille zu beherrschen. Das Produkt mit seinem rahmenlosen Scheibendesign und scharnierlosen Brillenbügeln erfüllt hierbei die Anforderungen der optischen Klasse 1 der EN 166 für Arbeitsschutzbrillen. In der verketteten Fertigungszelle folgen als nächste Schritte die Beschichtung und Aushärtung. Es handelt sich dabei um eine Flutbeschichtung, sodass Uvex unabhängig voneinander die Innen- und Außenseite beschichten kann. Typischerweise wird die Außenseite mit einer Kratzfestbeschichtung und die Innenseite mit einer Antifog-Beschichtung ausgeführt.

Durch die neu entwickelte Produktionstechnik lässt sich die Schutzbrille, erhältlich unter dem Namen uvex pure-fit und insgesamt nur 29 g schwer, vollautomatisiert aus einem Material und ohne zusätzliche Montage herstellen. Sie besteht komplett aus einem hoch schlagfesten Polycarbonat und ist somit – genau wie die Produktverpackung – zu 100 % recycelbar. Uvex vermarktet das Produkt zudem als nachhaltige Lösung, denn durch den vollautomatischen Prozess sei der CO2-Ausstoß in der Herstellung im Vergleich zu einer konventionell konzipierten und gefertigten Bügelbrille um rund 50 % reduziert worden.

Klappenmodul für ein Thermomanagementsystem

<a href="https://www.ros-coburg.de/de/" target="_blank">Ros GmbH & Co. KG, Coburg</a> Verwendetes Material: PPS-GF30 und PPA-CF30 Fertigungsverfahren: Montagespritzgießen Hauptinnovation: Herstellung in sich verdrehbarer Bauteile aus inkompatiblen Hochleistungskunststoffen mit sehr engen Toleranzen

Das ausgezeichnete Bauteil kommt in einem Kennfeldkühlungsmodul zum Einsatz. Dort, im Motorraum eines Kfz, regelt es durch eine Drehbewegung, die von einem Drehschieber über eine Verzahnung übertragen wird, stufenlos den Volumenstrom des Kühlmediums. Abgedichtet wird es über eine kugelförmige Kontur, die an einer PTFE-Dichtung anliegt. Als wesentliche Anforderungen waren definiert: Beständigkeit gegen Wasser/Glykol, Formstabilität bei dauerhaft hohen Temperaturen bis 150 °C sowie die Integration dreier Lagerstellen mit definiertem Anlauf- und Gleitdrehmoment möglichst ohne separaten Montageprozess. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad mit geringen Leckageströmen zu erreichen, muss das Bauteil zudem sehr hohen Toleranzanforderungen, vor allem an die Kugelform der Dichtfläche, genügen.

Das entlang der Hauptachse ca. 60 mm lange Klappenmodul stellt Ros in einem Montagespritzgießprozess her, sodass sich ein zusätzlicher Montageschritt für die Lagerstellen erübrigt. Dabei kommt eine holmlose Maschine von Engel zum Einsatz. Definierte Verstellkräfte bei möglichst geringem Lagerspiel zu erreichen, gelingt hier durch die Kombination zweier für Hochtemperaturanwendungen geeigneter, aber inkompatibler Werkstoffe, wobei deren Schwindungsverhalten zueinander berücksichtigt wurde.

Konkret werden zunächst drei Lagerböcke aus einem PPA-CF30 gespritzt. Zur nachfolgenden Anspritzung des Grundkörpers aus einem PPS-GF30 bei annähernd gleicher Werkzeugtemperatur (150 °C) setzt eine Roboterhand die Vorspritzlinge im Werkzeug um. Somit werden werkzeugfallend zueinander bewegliche Teile in einem Einstufenprozess hergestellt. Darüber hinaus findet eine serienbegleitende Leckageprüfung statt.

Um die Verstellbarkeit bei unterschiedlichen Temperaturen und über die Laufzeit gewährleisten zu können, hat Ros für die Lageböcke ein CF-verstärktes Material mit verbesserten tribologischen Eigenschaften ausgewählt. Das PPA, das dafür mit einer etwas höheren Massetemperatur verarbeitet wird, verbindet sich mit der zweiten Komponente (PPS) nicht stoffschlüssig. Dieses niedrigviskose Material neigt aber zur Gratbildung und birgt somit das Risiko von Überspritzungen. Durch den begrenzten Bauraum ergaben sich hier filigrane Werkzeugbereiche mit Tuschierfunktion und damit hohe Präzisionsanforderungen im Werkzeugbau.

Um die benötigte Oberflächenqualität und Präzision innerhalb der kugelförmigen Dichtfläche zu erreichen, wurde die Kavität hartgefräst. Im klassischen Erodierverfahren mit anschließendem Polieren waren die Anforderungen nicht zu erfüllen. Durch die hohe Präzision des Bauteils wird der Wirkungsgrad des Kühlungssystems und damit auch der CO2-Ausstoß des Motors optimiert – ebenso Pluspunkte auf dem Nachhaltigkeitskonto wie die Tatsache, dass durch das Montagespritzgießen und den einteiligen Fertigungsprozess zusätzliche Arbeits- und Montageprozesse weggefallen sind.

<a href="https://www.kh.de/" target="_blank">Kunststoff Helmbrechts AG, Helmbrechts</a> Verwendetes Material: PC, PC+ABS, IML-Folie aus PC Fertigungsverfahren: Spritzgießen mit IML, Functional Foil Bonding Hauptinnovation: Konzept für die kapazitive Bedienung eines Kunststoffbauteils mit gleichzeitiger Reduzierung der Teilezahl und der Modulkosten

In zunehmendem Maße werden im automobilen Innenraum Bedienfunktionen ins Lenkrad verlagert. Allerdings ist der Bauraum in einem Lenkrad durch den Airbag und die zugehörige Technik stark eingeschränkt, das heißt, die Komplexität der Module steigt. Mit der vorliegenden Baugruppe wurde ein flaches und damit bauraumgerechtes Modul mit kapazitiver Bedienung umgesetzt und die Vielzahl der Tasten, Wippen und Rollräder durch ein einziges Bauteil substituiert. Im Vergleich zum Vorgängermodul konnten so zehn Spritzgießwerkzeuge, die zum Teil in 2K-Technik ausgeführt waren, durch ein einziges einfach aufgebautes Werkzeug ersetzt werden. Da eine Abstimmung einzelner Bauteile aufeinander entfällt, konnten die Projektierungszeit sowie die gesamten Investitionskosten für Werkzeuge deutlich reduziert werden.

In dieser Bedieneinheit hat Kunststoff Helmbrechts (KH) die neu patentierte Technik des Functional Foil Bonding (FFB), die bis dato nur in Demonstratoren getestet wurde, erstmals in einer Serienanwendung (VW ID3) eingesetzt. Für die Serienproduktion des Moduls hat KH eine besondere Fertigungslinie entwickelt. Sie ist in einem separaten Raum mit ESD-Schutz untergebracht und leistet vollautomatisch alle Prozessschritte. Zunächst wird auf einer Spritzgießmaschine von Arburg eine Dekorfolie im IML-Verfahren (In-Mold Labeling) hinterspritzt. Die IML-Folie ist auf der Oberseite beschichtet und besitzt eine Kratzfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit entsprechend den Vorgaben der OEM.

Nach Prüfung des Bauteils mit „Piano Black“-Hochglanzoberfläche – diese ist ein wesentliches Designelement des gesamten Lenkrads – wird eine mit Leiterbahnen bedruckte und mit einem Schmelzkleber beschichtete Sensorfolie (Hersteller: PolyIC) in FFB-Technik, einem Prägeverfahren ähnlich dem Heißprägeprozess,  auf die Rückseite des IML-Bauteils aufgebracht. Durch die Eigenschaften des Klebers und den gleichmäßigen Anpressdruck ist das Ergebnis des Fügeprozesses blasenfrei. Anschließend wird die Blende mit einem lichtabschottenden Gehäuse, einem Vibrationsmotor für die haptische Rückmeldung der Bedienung und der Gehäuserückseite per Ultraschall verschweißt.

Durch die Verwendung einer semitransparent bedruckten IML-Folie aus Polycarbonat (PC) können einzelne Bereiche und damit deren Funktionen wahlweise (Black-Panel-Effekt) entweder mit Starten des Fahrzeugs eingeschaltet werden oder, je nach Buchungsumfang im Rahmen neuer Geschäftsmodelle der Fahrzeughersteller, durch temporäre Freischaltung einzelner Funktionen. Damit entfällt die Fertigung und Lieferlogistik von Modulen mit verschiedener Anzahl an Funktionen, da im Modul alle Funktionen ohne Mehraufwand integriert sind.

Zur Betätigung der einzelnen Funktionen wird das Berühren oder Wischen mit dem Finger kapazitiv ermittelt und ausgewertet. Da schwarze Siebdruckfarben in der Regel leitfähige Ruße enthalten, die eine kapazitive Auswertung verhindern, wurde hier zusammen mit dem Siebdruckfarbenhersteller eine schwarze, nicht leitfähige Farbe entwickelt. Damit die Finger auf der Bauteiloberfläche eine Orientierung haben, ohne den Blick des Fahrers abzulenken, wurden Vertiefungen und erhabene Führungslinien eingebracht.

In der Zwischenzeit wird das Modul in weiteren Baureihen des OEM verwendet und die Technik ist für weitere Bedienmodule im Fahrzeuginnenraum wie zum Beispiel den Fensterheber vorgesehen.

Zweiteiliges Bodenmodul eines Wäschetrockners

<a href="https://www.miele.de/haushalt/technology-center-plastics-2260.htm" target="_blank">Miele & Cie. KG, Gütersloh/Warendorf</a> Verwendetes Material: PP-T40 + Metalleinleger / rPP-T40 + TPV Fertigungsverfahren: Spritzgießen Hauptinnovation: Kombination des thermoplastischen Schaumspritzgießens in einem Bauteil mit hoher Funktionsintegration

Das rund 2,5 kg schwere Bodenmodul mit Abmessungen von 571,5 x 556,7 x 169 mm trägt und positioniert wesentliche Bauteile eines Wäschetrockners wie Antrieb, Pumpe, Kompressor, Wärmetauscher, Gerätefüße und Verkleidung und muss die gesamte statische und dynamische Last des Trockners aufnehmen. Daneben besitzt es Konturen, an denen die Dichtung des zugehörigen Deckels (0,88 kg; 485,9 x 557,4 x 132,9 mm) anliegt. Eine zweite wesentliche Herausforderung besteht darin, dass das Bodenmodul die Toleranzen des gesamten Geräts bis hin zur Schalterblende bestimmt. Daher liegen die geforderten Toleranzen in einem Bereich, der sich durch einen klassischen Spritzgießprozess (Kompaktspritzgießen) nicht mehr wirtschaftlich einhalten lässt. Das war mit ein Grund, dieses Bauteil mit einem physikalischen Schaumspritzgießprozess (MuCell-Verfahren) auszuführen.

Das physikalische Schäumen für ein mechanisch hochbelastetes Strukturbauteil mit sehr engen Toleranzen zu qualifizieren, verlangte einen weit überproportionalen Aufwand bei der Artikel- und der Werkzeugkonstruktion. Hier musste Miele darauf achten, dass die mechanischen Belastungen bei Einhaltung der Toleranzen nicht zum Versagen des Bauteils bei den Lebensdauertests führen. Zugleich galt es, kritische Materialanhäufungen und Hotspots in der komplexen Bauteilgeometrie zu vermeiden. Diese hätten sonst – gerade in Verbindung mit dem physikalischen Schäumen – zu Zykluszeitverlusten geführt. Priorität bei der Werkzeugkonstruktion, die unter anderem eine aufwendige Schieberkinematik und Ausdrehkerne integrieren musste, hatte eine sehr gute und gleichmäßige Werkzeugwandkühlung.

Um die CO2-Bilanz zu verbessern, sollte durch das Schäumen der Einsatz von Neuware reduziert werden. Dabei wurde die zu Projektbeginn ausgegebene Zielmarke, ein um 20 % geringerer Materialeinsatz im Vergleich zum Vorgängermodell, mehr als erfüllt. Allein auf den Schäumprozess entfällt ein Anteil von etwas unter 10 %. Die restlichen Materialeinsparungen wurden durch eine schäumgerechte Artikelkonstruktion und eine hohe Funktionsintegration erreicht. So betragen die Wanddicken im Bodenmodul in mechanisch gering belasteten Bereichen 2 mm, in höher belasteten Bereichen ca. 2,6 mm (in Rippenbereichen sind die Wanddicken wegen Entformungsschrägen höher). Die Wanddicken beim kompakten Vorgängermodul lagen hingegen durchgehend bei 2,5 mm und mehr.

Die Grundplatte des Bodenmoduls wird auf einer Spritzgießmaschine von KraussMaffei mit 10 000 kN Schließkraft und MuCell-Aggregat aus einem mit 40 % Talkum verstärkten PP hergestellt, wobei zugleich drei Metallachsen umspritzt werden, die zur Aufnahme des Kompressors dienen. Der Deckel entsteht parallel auf einer 2K-Spritzgießmaschine von Engel mit 9000 kN Schließkraft, die mit einem Drehteller und ebenfalls einem MuCell-Aggregat ausgestattet ist. Die Hauptkomponente ist ein talkumverstärktes PP-Rezyklat, als zweite Komponente wird eine Dichtung aus einem vernetzten thermoplastischen Elastomer (TPV) zykluszeitneutral angespritzt.

<a href="https://roeders.com/" target="_blank">G. A. Röders GmbH & Co. KG, Soltau</a> Verwendetes Material: PPA-GF45 Fertigungsverfahren: Spritzgießen, Warmeinbetten, Montage Hauptinnovation: Ersatz einer Druckgusslösung durch Einsatz eines nachvernetzenden Hochtemperaturmaterials

Die Baugruppe besteht aus einem Ventilstößel und einem Ventilteller aus Kunststoff, die zusammen mit einer Feder, einem O-Ring und einem Sicherungsring zur Ventilbaugruppe für Turbolader montiert werden. Das Gewinnerprodukt, hergestellt aus einem mit 45 % Glasfasern verstärkten PPA (Typ: Amodel A-4145 HH; Hersteller: Solvay), ersetzt eine baugleiche Variante aus Aluminium-Druckguss. Die Dauereinsatztemperatur des Leichtbauventils beträgt über 200 °C, deshalb wird ein nachvernetzendes PPA eingesetzt, bei dem bei Temperaturen über 180 °C der Vernetzungsvorgang einsetzt. Außerdem wohnt dem Material ein sogenannter Shielding-Effekt inne, das heißt, beim Erhitzen über 200 °C zersetzt sich die äußerste Schicht und bildet eine dichte, schützende Oberfläche.

Diese Eigenschaften erschweren zugleich den Herstellprozess, denn: Die Verweilzeit des PPA im Plastifizierzylinder der Spritzgießmaschine (1300 kN Schließkraft) ist stark eingeschränkt, weil bei jeder Störung sofort der Vernetzungsvorgang in der Schnecke einsetzt. Das Gleiche gilt beim Anfahren, da das PPA beim Aufheizen ebenfalls vernetzt.

Den Ventilstößel produziert Röders in einer automatischen Fertigungszelle. Nachdem eine Stange vereinzelt, ausgerichtet und einem Greifer zugeführt wurde, legt ein Roboter sie in das Spritzgießwerkzeug ein. Die Stange wird umspritzt und das Kunststoff-Metall-Hybridteil anschließend in einem zum Patent angemeldeten Verfahren so modifiziert, dass es auch bei hohen Einsatztemperaturen stabil ist. Der Ventilteller wird ebenfalls vollautomatisch hergestellt. In der entsprechenden Fertigungszelle werden zwei Gleitbuchsen vereinzelt, von einem Greifer aufgenommen und in das Werkzeug eingelegt. Nach Umspritzen und Entformung legt der Roboter das Formteil auf ein Förderband. Durch die Automatisierung wird ein unbeabsichtigtes Vernetzen des PPA im Zylinder vermieden, weil der Prozess zum einen gleichmäßiger abläuft und zum anderen schneller als bei manueller Bestückung.

Die halbautomatische Montage der beiden Komponenten läuft so ab: Nachdem ein O-Ring automatisch auf den Ventilstößel aufgezogen wurde, legt ein Mitarbeiter diesen zusammen mit dem Ventilteller, den händisch vereinzelten Federn und dem Sicherungsring in die Montagevorrichtung ein. Der Montage folgt eine automatische Funktionsprüfung, mit der der Öffnungsdruck des Ventils überwacht wird.

Leuchtenhalterung für eine Feuerwehrdrehleiter

<a href="https://www.huber-kunststoff-technik.de/" target="_blank">Huber Kunststoff & Technik GmbH, Wiedergeltingen</a> Verwendetes Material: ASA (Ausgangsmaterial 5 mm), PMMA (4 mm), TPU Fertigungsverfahren: Tiefziehen, Warmumbiegeverfahren, CNC-Fräsen Hauptinnovation: Experimentelles Herausfinden der richtigen Shorehärte für ein aufsteckbares Gummiprofil und Erhöhung der Steifigkeit eines Wartungsdeckels

Für die ausgezeichnete Baugruppe hat Huber eine montagefreundliche Lösung entwickelt, um ein Vakuum-Tiefziehteil aus ASA und ein 3D-Biegeteil aus PMMA XT Resist 75 absolut dicht miteinander zu verkleben. Die beiden aneinander gefügten Teile bilden den Abschluss am Heck eines Feuerwehrdrehleiterfahrzeugs. In die hiermit hergestellte Signalleuchte mit den Maßen 2080 x 140 x 95 mm kann der Kunde selbst, je nach Bedarf, bis zu acht LED-Blitzer einbauen.

Die besondere Herausforderung war hier, einen dauerhaften Feuchtigkeitseintritt zu verhindern, der die Signalleuchte von innen beschlagen lassen würde. Hierzu hat Huber im hauseigenen Technikum einige Szenarien getestet, wie zum Beispiel Druck- und Unterwasserprüfungen bis zu 1 m Wassertiefe. Als optimale Lösung, um eine Dichtigkeit der geschraubten Wartungsklappen zu gewährleisten, entwickelte der Kunststoffspezialist eigens für diese Baugruppe ein passendes TPU-Formteil. Ausschlaggebend hierbei waren die Bauteilgeometrie und die Shorehärte sowie die Kontur des Gummiprofils.

Um eine hohe Transparenz der 4 mm dicken PMMA-Oberfläche für dieses Bauteil zu erzielen, wurde in diesem Fall das 3D-Biegeverfahren angestrebt. Der basaltgraue ASA-Träger hingegen musste aufgrund der Geometrie im Thermoforming-Verfahren hergestellt werden. Diese beiden Materialien wurden nach Kundenanforderungen mit Bedacht vom Hersteller ausgewählt: einerseits das PMMA, da mögliche Kratzer entfernt werden können; und andererseits das ASA in der im geforderten RAL-Ton durchgefärbten Variante, um die Lackierung zu sparen.

Die Verklebung der beiden Formteile definierte Huber mit einem Abstand von 2,5 mm, um den Scherkräften der beiden Materialien entgegenzuwirken. Als Kleber wird ein 1K-Polyurethankleber verwendet. Nach Abschluss der Endfertigung befestigt der Kunde die fertige Baugruppe mit fünf sogenannten bigHeads am Fahrzeugheck. Die Positionen der Verbindungselemente wurden vorab beim ASA-Träger nach CAD-Daten in Form von Taschen gefräst. Die gemäß CAD gefrästen Klebeflächen für die bigHeads gewährleisten die richtige Lage in x/y/z. Somit ist die Anbausituation für den Kunden denkbar einfach und prozesssicher.

<a href="https://www.huber-kunststoff-technik.de/" target="_blank">Huber Kunststoff & Technik GmbH, Wiedergeltingen</a> Verwendetes Material: ABS+PC Fertigungsverfahren: Vakuum-Tiefziehen, CNC-Fräsen und Montage Hauptinnovation: Gefräste Zentriertaschen im Hauptträger, mit angezogenen Rasthaken am Retainer auf exakte Höhe, Breite und Tiefe positioniert

Um die Trennwand zwischen Fahrer und Fond einer Luxuslimousine herzustellen, gilt es eine Vielzahl verschiedener Bauteile – sowohl Tiefzieh- als auch Spritzguss- und Metallteile, die unterschiedliche Funktionen wie zum Beispiel Verstärkungs-, Anschraub- und Einrastfunktionen übernehmen – maßgenau zu verheiraten. Die Designlinien auf der Sichtseite, die abschließend beim Kunden von Hand mit einer 0,7 mm dicken Haut beledert wird, waren dabei im Lastenheft festschrieben. Die dafür benötigten „Nahtgräben“ musste Huber fertigungstechnisch realisieren.

Das Hauptträgerteil wird aus ABS+PC (Typ: Bayblend) auf einer dafür ausgelegten Vakuum-Tiefziehmaschine gefertigt. Da das Halbzeug, eine 4,5 mm dicke Platte, beim Thermoformen nur eine werkzeugzugewandte Seite hat – aus ihr wird die Sichtseite geformt –, ist die Struktur der Gegenseite der Verstreckung geschuldet. Die Teilungen und Hinterschnitte wurden deshalb so angebracht, dass eine möglichst gleiche Materialverteilung möglich ist. Ein Oberstempel hilft dabei, die gewünschte Dicke zu erzielen. Auch die Fertigung der von anderen Herstellern zugelieferten Spritzgussteile musste bei der Auslegung der Teilung schon berücksichtigt werden. Besondere Sorgfalt erforderte zudem die Auslegung der Werkzeugkühlung und der Umformwerkzeuge (Losteile). Losteile werden zum Entformen von Hinterschnitten eingesetzt, mit dem Tiefziehteil aus dem Werkzeug entnommen und anschließend darin wieder eingelegt.

In das Hauptträgerteil werden nicht nur drei große strukturelle Öffnungen gefräst, sondern auch mehrere Zentriertaschen, damit zwei mit Rasthaken konstruierte Retainer (eine Art Verstärkungsteile) an den gewünschten Positionen in x/y/z-Richtung prozesssicher platziert werden können. Wenn die Retainer mit dem Träger verklebt werden, müssen die Klebelehren die Gutseite am Träger und die Material-Toleranzseite von den weiteren Bauteilen (Retainer und Spritzgussteile) ausgleichen können.

Der OEM stellt hohe Anforderungen an die Optik und Maßhaltigkeit im verklebten Zustand. Dafür, dass beim Verbinden der kleineren Teile mit der großen Blende keine Fehler passieren, sorgen auf dem Schlüssel-Schloss-Prinzip basierende Montageelemente. Jede Anbauposition hat eine eigene Geometrie und ist mit verschiedenen Anklebeflächen versehen, sodass kein Dom oder Klipp in eine andere als die dafür vorgesehene (gefräste) Positionstasche geklebt werden kann. Dieses Vorgehen, das Montagefehler ausschließt, wird mit dem japanischen Ausdruck Poka Yoke beschrieben.

Zusammenstellung: Dr. Clemens Doriat, Redaktion

Der ursprünglich als ein Bauteil geplante Ventilblock besteht schlussendlich aus vier Einzelteilen, die zur Baugruppe montiert werden.

Acht LED-Leuchten am Heckträger eines Feuerwehrfahrzeugs machen die Gefahrensituation unübersehbar.

Der Träger wird mit mehreren Anbauteilen verklebt und montiert  und auf der (im Bild abgewandten) Sichtseite schließlich beledert. 

Das im Rahmenheck eines Lkws integrierte Bauteil nimmt Batterien und Druckluftspeicher auf.

Der Faltenbalg wird in einem ausgeklügelten Spritzgießprozess an die Luftleitung montiert.

Vor der Auslieferung wird das Bauteil druckdicht mit fünf Deckeln verschweißt.

Das metallfreie und sortenreine Material macht die Brille vollständig recycelbar.

Die Schwierigkeit bei diesem Klappenmodul war die Integration von drei Lagerstellen bei geringem Bauraum ohne separaten Montageprozess.

Die Lenkradbedieneinheit zeichnet sich durch eine sensorische Benutzerführung aus.

Grundplatte (hell) und Deckel (schwarz) des Bodenmoduls für einen Wäschetrockner werden physikalisch geschäumt.

Ventilteller und Stößel werden in einem halbautomatischen Montageprozess zum fertigen Bypassventil zusammengebaut.

Hauptartikel Innovationspreis

TecPart-Innovationspreis für elf Bauteile vergeben

Automatisierungszellen

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Doriat, Clemens, Dr.

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Simulation

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Teil 10 und Schluss: Die Digitalisierung der Kunststoffverarbeitung bekommt ein Zuhause

Mit Fertigstellung des Plastics Innovation Center 4.0 ist die Forschungsinfrastruktur des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen erheblich erweitert worden. Der letzte Beitrag dieser Serie nimmt die technischen Möglichkeiten zur industrienahen Forschung mit Projektpartnern in den Blick.

Mit Fertigstellung des Plastics Innovation Center 4.0 ist die Forschungsinfrastruktur des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen erheblich erweitert worden. In Verbindung mit dem Ausbau der digitalen Netzwerkarchitektur können sich die Forschenden in den folgenden Jahren verstärkt pragmatischen Lösungen und industrienahen Projekten zur Digitalisierung zuwenden. Der letzte Beitrag dieser Serie nimmt die technischen Möglichkeiten zur industrienahen Forschung mit Projektpartnern in den Blick.

Die neu errichtete und zu Forschungszwecken nutzbare Fläche des Plastics Innovation Center 4.0 (PIC 4.0) umfasst 4150 m². Der zentral im PIC 4.0 verortete und insgesamt knapp 300 m² große aufteilbare Seminarraum eröffnet einen direkten Blick in das Technikum, sodass Beispielprozesse bei Projekttreffen und projektbegleitenden Ausschüssen praxisnah demonstriert und beobachtet werden können. Eine Etage tiefer befindet sich die Metallwerkstatt, sodass im modern ausgestatteten Fortbildungsraum Schulungen zu Spritzgießsimulation, Werkzeugbau und Prozesseinrichtung sowie deren digitale Vernetzung mit praktischen Inhalten angeboten werden können.

In dem Messlabor befinden sich zahlreiche Geräte zur taktilen und optischen Vermessung von Bauteilgeometrien und -oberflächen wie auch elektrotechnisches Equipment für kreative Arbeiten an neuen Sensor- und Messtechnologien. Hierzu zählt beispielsweise das O-Inspect 442 der Carl Zeiss AG zur taktilen Vermessung von Bauteildimensionen (Messraum: 400 x 400 x 200 mm³; Messgenauigkeit: 1,6 µm) oder der MicroGlider der Fries Research & Technology GmbH zur optischen Vermessung von Bauteiloberflächen (Sensorauflösung: 10 nm lokal in z-Richtung und 1 bis 2 µm in xy-Richtung).

Ergänzend ermöglicht ein GOM Scan Cobot mit Atos Q Sensorkopf der Carl Zeiss GOM Metrology GmbH die schnelle optische Vermessung von Bauteilen. Über zwei 12-Megapixel-CMOS-Kameras kann in wenigen Minuten automatisiert ein CAD-Export der vermessenen Bauteile erfolgen, um die Realgeometrie direkt mit einer Füllsimulation abzugleichen (Titelbild). Kleinere Laborgeräte wie der Halogen Moisture Analyzer HX204 der Mettler Toledo GmbH komplettieren die Ausstattung des Messlabors. Letzteres ermöglicht die Bestimmung des Restfeuchtegehalts einer Granulatprobe auf eine Wiederholgenauigkeit von 0,01 % und liefert Trocknungskurven in Echtzeit, um in Versuchskampagnen am PIC 4.0 schnell auf Restfeuchteschwankungen reagieren zu können.

Großes Technikum für komplexe Forschungsprozesse

Die Technikumsfläche bietet auf 1100 m² Platz für die zahlreichen Testbeds zur digitalisierten Kunststoffverarbeitung. Neben einer zentralen Materiallagerung und -trocknung finden sich Testbeds unter anderem zur Prozesseinrichtung mithilfe künstlicher Intelligenz sowie zur Rezyklatverarbeitung [1, 2]. Die kontinuierliche Datenerfassung im PIC 4.0 unterstützt dabei sämtliche Fertigungsprozesse [3, 4]. Ein Großteil der Maschinen und Anlagen kommuniziert hierzu direkt über OPC UA oder die entsprechenden Spezifikationen der Euromap. Einige wenige müssen auch im PIC 4.0 weiterhin über ältere Schnittstellen wie Euromap 63 oder individuelle Nachrüstungen und separate Datenerfassungssysteme (beispielsweise Echtzeit-Messsysteme zu Analogsignalen) in die digitale Infrastruktur integriert werden.

Der Forschungsschwerpunkt im Technikum liegt auf Spritzgießprozessen mit derzeit zehn Spritzgießmaschinen unterschiedlicher Hersteller im Schließkraftbereich zwischen 350 und 2400 kN. Sechs dieser Maschinen kommunizieren via OPC UA oder Euromap 77, zwei über die ältere Euromap 63. Die notwendige Peripherie in Form von Handlingrobotern und Temperiergeräten wird entweder direkt über die Maschine in das Datennetzwerk eingebunden oder folgt ebenfalls bereits der Ethernet-basierten OPC-UA-Schnittstelle. Dezentrale Materialfördersysteme für einen transparenten und kontrollierten Materialfluss ergänzen die Infrastruktur. Ein Leitrechnersystem ermöglicht kontinuierliche Einblicke in laufende Versuche und zeigt Störgrößen auf, die unmittelbar in die Prozessteuerung einfließen können. Dadurch können im PIC 4.0 Lösungen zur Anbindung von Maschinen und Geräten sowohl hardware- als auch softwareseitig untersucht, entwickelt und bereitgestellt werden.

Serviceorientierte Architektur für Ergebnistransfer in die Anwendung

Die Erfassung der Maschinen- und Anlagendaten bildet den zentralen Kern der serviceorientierten Informations- und Softwarearchitektur. Für sämtliche Geräte und Anlagenkomponenten werden individuelle Datenschnittstellen entwickelt (sogenannte Konnektoren), sofern nicht seitens der Hersteller solche in Form standardisierter Schnittstellen bereitstehen. Neben der Datenerfassung von Spritzgießmaschinen im PIC-4.0-Technikum sind auch im Faserverbund- und Extrusionstechnikum Anlagen an das Netzwerk angebunden (Bild 1). Beispielsweise wurde ein Doppelschneckenextruder der Coperion GmbH mit einer OPC-UA-Schnittstelle nachgerüstet, ebenso wie die Blasformanlage BM-206 der Beckum Maschinenfabrik Traismauer GesmbH. Dadurch können auch bei einer Vielzahl an Extrusionsprozessen kontinuierlich Daten zu Schmelzetemperatur und -druck sowie zu Werkzeugtemperatur, Verfahrgeschwindigkeit, Blasdruck und -zeit gemessen und erfasst werden, um auf dieser Basis eine Echtzeit-Prozesssteuerung und -regelung zu realisieren.

So wird die Datenerfassung unter anderem gespeist von Laborextrudern einerseits der Brabender GmbH & Co KG und andererseits der Collin Lab & Pilot Solutions GmbH sowie einem Kautschukextruder der TSM GmbH. In der Schaumextrusion werden ebenfalls Schmelzedrücke und -temperaturen, Extruderdrehzahlen, Motorströme sowie Extrudatabmessungen und -temperaturen erfasst und über die Datenerfassung des PIC 4.0 in die Datenbanken geleitet. Das Tridem-Setup besteht dazu aus einem Aufschmelzextruder der Windmöller & Hölscher KG, einem Multiple-Rotations-System der Gneuss Kunststofftechnik GmbH und einem Ausstoß- und Kühlextruder der Oerlikon Textile GmbH & Co. KG.

Die Datenverfügbarkeit stellt somit zwar ein andauerndes Entwicklungsfeld dar, insbesondere bei der initialen Einbindung neuer Anlagen, jedoch ist dies bei modernen Maschinen nicht länger als technische Herausforderung zu betrachten. Vielmehr soll durch die Entwicklung anwendungsfallspezifischer und modularer Services aus aktuellen und zukünftigen Forschungsprojekten ein direkter Mehrwert der verfügbaren Daten ersichtlich werden.

Plattform für diverse Optimierungsmodule

Hierzu wurde am IKV eine Service-Plattform entwickelt, die den Zugriff auf einzelne Optimierungsmodule zur weiteren Forschung und praxisnahen Anwendung möglich macht. Über die Kombination aus

<ul><li>einem webbasierten Frontend, entwickelt im Typescript-Framework Angular,</li><li>einem Node.js-Gateway zum ebenfalls für die Datenerfassung genutzten Message-Broker Apache Kafka und</li><li>diversen Backend-Programmen zur gezielten Datenanalyse beispielsweise in Python, Matlab oder Labview</li></ul>

wird eine skalierbare und stetig wachsende Anwendungspalette bereitgestellt [5]. Dadurch lässt sich im Technikum des PIC 4.0 der Mehrwert der erfassten Daten an einem Leitstand visualisieren, um einen etwaigen Digitalisierungsaufwand für industrielle Prozesse vorab zu evaluieren und den Nutzen aufzuzeigen.

Erste bereits umgesetzte Service-Module betreffen die automatisierte Versuchsplanung und -analyse sowie eine softwareseitige Routine zur Verzugskompensation durch simulationsbasierte Geometrieanpassung. Ein weiterer aktuell in der Entwicklung befindlicher Service soll ein einfaches Interface zum Training eines neuronalen Netzes mit anschließender KI-gestützter Empfehlung zu Prozessanpassungen umsetzen. Zwar sind die auf der Service-Plattform implementierten Optimierungs- und Analysemodule nicht mit industrietauglichen Lösungen gleichzusetzen, sie stellen jedoch einen Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen und Demonstrationsprojekte dar.

Die Lücke zwischen Simulation und Realität schließen

Mit der Fertigstellung und Inbetriebnahme des PIC 4.0 werden Methoden der Digitalisierung in der Kunststoffverarbeitung im Fokus stehen und die Untersuchung weiterer Prozesse durch vollständige Transparenz der Prozess- und Qualitätsdaten unterstützen. Insbesondere aus dem Exzellenzcluster „Internet of Production“ der RWTH Aachen heraus können Forschungsarbeiten zu datenbasierten Einrichtvorgängen fortgesetzt und industrienah demonstriert werden, ebenso wie solche zu „Plug & Produce“-Anwendungen durch die Industrie-4.0-Verwaltungsschale oder simulierten Abkühlstrecken in der Extrusion.

Die an vielen Spritzgießmaschinen im PIC-4.0-Technikum angebrachten Messdüsen zur Messung des Schneckenvorraumdrucks und der Schmelzetemperatur erlauben es zudem, das maschinenspezifische Prozessverhalten in Form eines digitalen Schattens zu charakterisieren. Durch Korrelation mit bestehenden Forschungsansätzen zur Prozessoptimierung werden somit neue Abhängigkeiten und der Mehrwert einer Nachrüstung der digitalen Signale erkennbar. Die Kopplung dieser an der Schnittstelle zwischen realem und virtuellem Prozess erfassten Messwerte mit der Füllsimulation ermöglicht es dadurch, die Lücke zwischen Simulation und Realität für verlässliche Qualitätsprognosen schließen können.

Die Ausweitung der Digitalisierungsmethoden aus dem PIC 4.0 auf andere Technika des IKV ermöglicht es, Wechselwirkungen entlang des Materialflusses der Wertschöpfungskette zu analysieren. Insbesondere Forschungsfragen zur Kreislaufwirtschaft vom Compounding bis zum Spritzgießprodukt und zurück, können mithilfe der entwickelten Infrastruktur zielführend bearbeitet werden.

So profitiert beispielsweise auch das im August 2022 gestartete und vom BMBF mit einem Projektvolumen von 23 Mio. EUR geförderte Forschungsprojekt unter dem Akronym KIOptiPack von der Infrastruktur des PIC 4.0. Gemeinsam mit mehr als 40 Projektpartnern sollen anwendungsnahe KI-Methoden entlang der Wertschöpfungskette im Verpackungsbereich für eine verbesserte Kreislaufführung von Kunststoffen entwickelt und validiert werden.

[1] Hopmann, C.; Bibow, P.: Anwendungsfälle der digitalisierten Kunststoffverarbeitung. Kunststoffe 110 (2020) 9, S. 14–16

[2] Hopmann, C.; Bibow, P.; Weber, J.: Den Anwendernutzen ins Visier genommen. Kunststoffe 111 (2021) 6, S. 18–20

[3] Hopmann, C.; Bibow, P.: Informationsfluss aus einem Guss. Kunststoffe 110 (2020) 12, S. 14–16

[4] Hopmann, C.; Schmitz, M.; Bibow, P.: Das PIC 4.0 im Internet of Production. Kunststoffe 111 (2021) 3, S. 16–18

[5] Hopmann, C.; Bibow, P.; Seifert, L.; Liu, B.: Wandlungsfähige Strukturen für mehr Innovation. Flexible Infrastrukturen erleichtern den Zugriff auf innovative Services. Kunststoffe 112 (2022) 3, S. 16–18

Durch optische Vermessung und CAD-Export der realen Bauteilgeometrie können Abweichungen zur Ursprungs- und Simulationsgeometrie knotenweise verglichen werden.

Bild 1. Die Konnektivität zu Maschinen und Anlagen am IKV wurde auch über das Technikum des PIC 4.0 hinaus ausgebaut; zahlreiche Maschinen ermöglichen datenbasierte Einblicke in das Verfahren.

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Plastics Innovation Center 4.0 erweitert Forschungsinfrastruktur des IKV 

Die neue Forschungsinfrastruktur bietet zahlreiche Möglichkeiten, um potenzielle Systeme und Technologien zur Digitalisierung am IKV auszutesten und deren Mehrwert für die eigene Produktion und prozesstechnische Fragestellungen vorab zu evaluieren. Nach Kontaktaufnahme durch ein Unternehmen identifizieren die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am PIC 4.0 die jeweilige Problemstellung zu Datenerfassung, Datenanalyse oder bedienerfreundlichen Anwendungen. In gemeinsamen Projekten oder in einem Konsortium werden dann gewinnbringende Lösungen erarbeitet. Die Forschungsinfrastruktur des PIC 4.0 kann dabei bis zum Proof-of-Concept am IKV unterstützen, sodass die anschließende industrielle Umsetzung ein Erfolg wird.

<a href="http://www.ikv-aachen.de/forschung/efre-pic-40/" target="_blank">www.ikv-aachen.de/forschung/efre-pic-40/</a>

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist seit 2011 Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung und Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen.

Pascal Bibow, M. Sc. RWTH beschäftigt sich am IKV seit September 2016 mit intelligenten Produktionssystemen und ist seit Januar 2020 Geschäftsführer des Plastics Innovation Center 4.0 am IKV; <a href="mailto:pascal.bibow@ikv.rwth-aachen.de">pascal.bibow@ikv.rwth-aachen.de</a>

Die Errichtung des Plastics Innovation Center 4.0 wird gefördert durch Mittel des Landes NRW und aus dem Europäischen Fond für Regionale Entwicklung (EFRE).

Mit diesem zehnten Teil endet die Serie über das PIC 4.0 – die neun vorangegangenen Teile sind zwischen Juni 2020 und Juli 2022 erschienen und in unserem Online-Archiv leicht durch Nennung der beiden Autoren zu finden.

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Big Data für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Diese Neuheiten werden auf der Formnext 2022 präsentiert

Vom 15. bis 18. November 2022 werden auf der Formnext in Frankfurt am Main Neuheiten aus der additiven Fertigung präsentiert. Einige Messe-Highlights können wir schon heute verraten.

Mitte November ist es wieder soweit: Dann werden vom 15. bis 18. November 2022 auf der Formnext in Frankfurt am Main Neuheiten aus der additiven Fertigung präsentiert. Einige Messe-Highlights können wir schon heute verraten.

Jedes 3D-Druckverfahren steht im Wettbewerb zu klassischen Fertigungsstrategien, wie Gießen oder Fräsen, unter den Aspekten mechanische Eigenschaften, Zeitfaktoren und Wirtschaftlichkeit. Zudem auch im Wettbewerb zu alternativen 3D-Druck-Technologien. Die Herausforderung: Schichtbasierte 3D-Aufbauprozesse von Polymeren weisen derzeit oft inhomogene Fertigkeitswerte auf. Mit dem zum Patent angemeldeten Voxelfill-Verfahren geht AIM3D nun einen neuen Weg, der diese überwindet.

Das Besondere: Die Bauteile werden nicht mehr ausschließlich schichtweise aufgebaut, sondern durch Einsatz von sogenannten Voxeln als Volumenbereiche schichtübergreifend gefüllt. Dazu wird zunächst – wie gewohnt – die Bauteilkontur als Basisstruktur über eine oder mehrere Bahnen des extrudierten Materials erzeugt. Im Inneren des Bauteils entsteht ein Gittermuster, das die Grenzen der zu füllenden Volumenelemente ähnlich zu Kavitäten definiert. Die Struktur der zu füllenden Voxel gleicht den Waben in einem Bienenstock.

Die Voxelfill-Strategie besteht aus zwei Verfahrensstufen. Im ersten Schritt erfolgt die Generierung der Gitterstruktur. Die CEM-Anlage wiederholt diesen Aufbau bis zu einer definierten Höhe der Volumenelemente, bis dann an dieser Stelle die Füllung der zuvor erzeugten Hohlräume (Voxel) durch Einspritzen des thermoplastischen Materials durch den Extruder erfolgt. Nun kommt der zweite, noch wichtigere Bestandteil des Verfahrens zum Einsatz: Bei der Füllung der Volumenbereiche werden nicht alle Hohlräume in einer Ebene gefüllt. Denn dies hätte erneut eine Schwachstelle in Z-Richtung in der „Naht“-Ebene zur Folge. Durch Versetzen der Volumenelemente in halber Höhe der Voxel wird eine Art „Ziegelverbund“ im Bauteil erzeugt. Die Bruchlinie wird also zwingenderweise versetzt. Das bewirkt eine enorme Festigkeitserhöhung und verbessert die Elastizität der Bauteile in Z-Richtung. Nebenbei reduzieren die eingebrachten Volumenelemente die Druckzeit für vollgefüllte Bauteile enorm und steigern damit ganz entscheidend die Wirtschaftlichkeit des CEM-Verfahrens. Variationen der des Verfahrens ermöglichen den Einsatz von unterschiedlichen Materialien: Hybride Multimaterial-Lösungen mit unterschiedlichen Voxel-Füllmaterialien und Baumaterialien für die Kontur/Struktur der Innenwände werden möglich.

Evonik setzt in Frankfurt auf Nachhaltigkeit: Der Spezialchemiekonzern will seine Polyamid-12-Pulver (PA12) der Marke Infinam entlang verbesserter Gesamtökobilanzen ausrichten. Das Unternehmen analysiert dabei neben CO2-Emissionen weitere Nachhaltigkeitsfaktoren des eigenen Fußabdrucks wie etwa den Wasserverbrauch oder die Landnutzung.

Das aktuelle Materialportfolio wird schrittweise um neue nachhaltige ready-to-use Produkte erweitert. Den Anfang macht Evonik mit der Einführung einer neuen Materialklasse von PA12-Pulvern mit deutlich reduziertem CO2-Ausstoß. Sie ersetzen ab sofort die bisherigen Infinam Polyamid-12-Materialien für alle gängigen pulverbasierten 3D-Verfahren.

Die neuen Pulver werden unter Einsatz regenerativer Energien im Chemiepark Marl hergestellt. Der TÜV Rheinland hat die zugehörigen Ökobilanzen zertifiziert und bescheinigt eine Verbesserung des eigenen CO2-Fußabdrucks um nahezu 50 %. „Nachhaltigkeit ist das Kernelement, um in Zukunft erfolgreich zu sein. Daher betrachten wir es aus einem ganzheitlichen Blickwinkel“, sagt Dr. Dominic Störkle, Leiter des Innovationswachstumsfeldes Additive Manufacturing bei Evonik. Neben Faktoren wie die Produktionseffizienz oder die Wiederverwendbarkeit von Werkstoffen gehöre die Gesamtökobilanzen der Materialien und deren konsequente Verbesserung ebenso zum Nachhaltigkeitsansatz. „Damit schaffen wir die richtigen Grundlagen für den groß-industriellen 3D-Druck“, so Störkle abschließend.

Die additive Fertigung gewinnt unabhängig vom verarbeiteten Werkstoff zunehmend an Bedeutung. Das aktuell im Metallbereich am weitesten verbreitete Verfahren ist das Powder-Bed Fusion (PBF) Verfahren unter Einsatz einer Laserstrahlquelle. Es weist allerdings einige kritische Aspekte auf, wie die hohen Kosten für das Ausgangsmaterial verbunden mit dem Aufwand rund um die Pulverhandhabung, die geringen Aufbauraten vieler Anlagen und den damit hohen Prozesszeiten sowie den hohen Aufwand für die notwendigen Post-Processing Schritte.

Vor diesem Hintergrund und um den zunehmenden Anforderungen der Märkte nach individuell angepassten und endkonturnahen Produkten gerecht werden zu können, hat Grob mit dem Liquid Metal Printing (LMP) ein laut eigener Aussage wirtschaftliches und flexibles Fertigungsverfahren entwickelt, das die Nachteile traditioneller, metallverarbeitender additiver Fertigungsverfahren beseitigen soll.

Im Gegensatz zu dem bereits bekannten Pulverbettverfahren ist beim LMP-Verfahren das Ausgangsmaterial Draht. Das hat laut Grob mehrere Vorteile: Zum einen reduzieren sich die Materialkosten und zum anderen gibt es durch den Einsatz von Draht keine Gesundheits- oder Explosionsgefahr. Dadurch wird die persönliche Schutzausrüstung vereinfacht und zusätzliche Arbeitsschritte wie das Entpulvern des Bauteils sowie das Sieben und Aufbereiten des Pulvers entfallen. Zudem handelt es sich um einen Mikrogieß- und nicht um einen Schweißprozess, mit keinem oder nur geringem thermischen Verzug.

Replique nutzt die Formnext 2022, um RSure auf den Markt zu bringen, ein neues Modul zur Qualitätsverfolgung. Kunden haben damit die Möglichkeit, jedes ihrer 3D-gedruckten Teile direkt zu verfolgen und sicherzustellen, dass diese die erforderlichen Qualitätsanforderungen erfüllen. Mit RSure können OEMs Qualitätsspezifikationen und ein digitales Prüfverfahren festlegen und die produzierten Teile rückverfolgen, bevor sie versandt werden.

Zudem lassen sich Qualitätsprüfungen bestimmen, die von Servicebüros an den 3D-gedruckten Teilen durchgeführt werden müssen, einschließlich verschiedener zertifizierter Messungen, Funktionstests und Hochladen von Bildern in die eigene digitale Bibliothek. Die Informationen jederzeit aus der Ferne abgerufen und eingesehen werden.

Die Besucher können den verschlüsselten Bestellprozess live testen, indem sie ein kostenloses 3D-gedrucktes Giveaway bestellen, das am Stand produziert wird. Das ermögliche auch einen genauen Blick auf das digitale Warenlager des Unternehmens, das die Speicherung, Verwaltung sowie interne Bestellung von Bauteilen vereinfacht.

Auch in der additiven Fertigung ist das Thema Nachhaltigkeit angekommen, das zeigt unter anderem Evonik mit seinem neuen PA12-Pulver.

Vorbericht Formnext - me

Vom 15. bis 18. November 2022 werden auf der Formnext in Frankfurt am Main wieder live Neuheiten zur additiven Fertigung präsentiert. Einige Messe-Highlights können wir schon heute verraten.

Formnext 2022: Premierenfieber in Frankfurt

Frankreich zählt in Europa zu den wichtigsten Ländern der Additiven Fertigung und ist schon seit Jahren auf der Formnext stark vertreten. In diesem Jahr werden mehr als 30 französische Unternehmen, Verbände und Forschungseinrichtungen in Frankfurt vertreten sein und ihr Leistungsspektrum dem internationalen Fachpublikum präsentieren. Dabei zeigt die französische AM-Branche ein sehr vielseitiges Angebotsportfolio entlang der gesamten Prozesskette. In Frankreich bieten nicht nur die starke Luftfahrt- und Automobilindustrie vielversprechende Anwendungsfelder für die additive Fertigung, sondern auch die Bereiche Bau und Architektur, Weinbau, Medizin und viele mehr.

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