Wer bei einem Bauteil von Metall auf Kunststoff umsteigen, die Zahl der Komponenten dabei von acht auf drei reduzieren und gleichzeitig Gewicht und Herstellungskosten senken will, muss mit viel Sorgfalt agieren, um alle Anforderungen zu erfüllen. Besonders wenn es sich um einen mechanisch stark beanspruchten Artikel im heißen Getriebe handelt. GK Concept entwickelte eine neue Schaltgabel – und erhielt dafür gemeinsam mit dem Auftraggeber Koki Technik den GKV/TecPart-Innovationspreis 2019.

Die Schaltgabel stellt den Formschluss zwischen Zahnrad und Welle her, damit die Motorkraft auf die Räder übertragen werden kann

Serienreife Schaltgabel aus Kunststoff erbringt Höchstmaß an Funktionsintegration

Spritzgießen

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Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Metallsubstitution im Getriebe

Kann man ein mechanisch hochbelastetes Strukturbauteil aus massivem Stahl durch eine Kunststofflösung ersetzen? Ja – wie ein Projekt zeigt, das Barlog Plastics gemeinsam mit der Firma Viebahn Systemtechnik realisierte.

Bildcollage (links): Adapterplatte mit eingehängtem Motor

Adapterplatte: 80 Prozent leichter durch klugen Metallersatz

Polyamide

Thermoplaste

Auf Augenhöhe mit der Stahlversion

Wie kann Digitalisierung konkret zur Ressourcenschonung und Steigerung der Produktionseffizienz beitragen? Die Antwort gibt Arburg auf der K 2022 mit Beispielen für eine hoch vernetzte, digitalisierte Fertigung.

Im arburgGreenworld-Pavillon des VDMA Circular Economy Forums fertigt ein Allrounder 370 A mit Rezyklat-Paket „Greenline“-Dübel von Fischer.

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Energieeffizienz

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Kreislaufwirtschaft

Nachhaltigkeit dank Digitalisierung

Technische Bauteile werden meist für eine Einsatzdauer von mehreren Jahren ausgelegt. Bei thermoplastischen Bauteilen muss über diese Zeitspanne auch das Kriech- und Relaxationsverhalten berücksichtigt werden. Dies ist für spritzgegossene langfaserverstärkte Thermoplaste bisher nicht gelöst. Um das Langzeitverhalten auch für diese Materialklasse simulieren zu können, hat das IKV eine integrative Berechnungsmethode entwickelt. 

Berechnung des Langzeitverhaltens spritzgegossener langfaserverstärkter Thermoplastbauteile durch integrative Simulation 

Analysetools, FEM

Fasern

Werkstoffprüfung, mechanisch

Bruchmechanische Prüfung

Der Einfluss von Länge und Krümmung 

Trotz großer Auslastung in der Industrie fand das diesjährige Moldflow User Meeting mit hoher Beteiligung statt. Drei Dutzend Vorträge und Trainingssessions machten den 180 Teilnehmern die Auswahl nicht immer leicht, denn es gab neben grundsätzlich Neuem zum Release 2019 auch bisher Ungehörtes zu Dauerthemen wie Bindenahtvermeidung, Kühlung, Glasfaserorientierung oder Schäumen. Unerwarteter Höhepunkt waren Tools auf Basis der API-Schnittstelle der Moldflow-Benutzeroberfläche. 

Das 9. European Moldflow User Meeting "Connect!" setzt ein neues Thema 

Eine Schnittstelle macht Karriere 

Die jährliche Spritzgießertagung in Baden-Baden ist seit jeher eine Veranstaltung, bei der neben der Kontaktpflege und Netzwerkbildung die Tipps von Praktikern für Praktiker im Mittelpunkt stehen. Diesmal ließen sich die Veranstalter von den Schlagworten "Künstliche Intelligenz" und "Digitalisierung" leiten. Keine leichte Kost, aber manchmal kann sich die Zukunft sehr schnell einstellen. 

Die VDI-Jahrestagung "Spritzgießen 2019" fordert die menschliche Intelligenz heraus 

Prozesssimulation

Additive Fertigung

Spritzgießmaschinen

Produktentwicklung(sprozess)

Seminare, Schulungen, Kongresse

Verbände, Institutionen, Messen

Zukunftsmusik aus Daten, Daten und nochmals Daten 

SIMCON – Setzen Sie mit uns neue Standards für die herausforderndsten Projekte und die komplexesten Fragestellungen im Kunststoffspritzguss – vom Entwurf bis zur Serienproduktion. Mit unseren Lösungen treffen Sie schneller bessere Designentscheidungen beim Spritzgießen – für Ihr Bauteil, Ihren Prozess und Ihr Werkzeug.

Simcon kunststofftechnische Software GmbH  

https://www.simcon.com

Die Kernphilosophie der SimpaTec GmbH ist unser Antrieb und zur gleichen Zeit auch als Appell an unsere Kunden gerichtet: „Break your limits“! Es ist eine Aufforderung an Jeden von uns, Barrieren zu überwinden, über seine Grenzen hinaus zu denken, sich so neue Horizonte zu erobern, mögen sie auch noch so kühn erscheinen.

SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH  

https://www.simpatec.com

Auswerte- und Analysesoftware

Benchmarking

Beratung und Consulting

Dienstleistungen

Logistiksysteme Software

Im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung ist der Kreislaufgedanke seit vielen Jahren etabliert. Doch an welcher Stelle beginnt der Kreislauf? Hinterfragen wir diesen Ansatz, ergeben sich neue Aspekte. Beispielsweise, ob bewährte Mechanismen ergänzt werden können oder müssen, um gesteckte Ziele zu erreichen – und wenn ja, wie.

Bild 6. Die ganzheitliche Produktentwicklung führt die Optimierung im Kreislauf

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Traditionelle Ansätze treffen auf mikromechanische Herangehensweisen

Schaumspritzgießen

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Qualitätsmanagement

Der Dreh in der Produktentwicklung

Kurzfaserverstärkte Kunststoffe werden für viele technisch anspruchsvolle Anwendungen verwendet. Für eine hohe Produktqualität müssen die richtungsabhängigen Materialeigenschaften schon in der Bauteilauslegung mitberücksichtigt werden. Vor- und Nachteile zweier Vorgehensweisen werden in diesem Artikel diskutiert.

Wasserpumpe bFlow C als Beispiel einer mit kurzglasfaserverstärktem Kunststoff hergestellten Komponente.

Berücksichtigung der Faserorientierung in der strukturmechanischen Simulation

Universal-Prüfmaschinen für Zug, Druck und Biegung

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Modellierung

Methoden und Werkzeuge

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Anisotrope Simulation kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Das Forschungsprojekt AutoEnSys befasst sich mit dem Einsatz eines KI-basierten Expertensystems zur automatischen Positionierung von Auswerfern im Entformungssystem. Ein selbstlernender Algorithmus soll langfristig auch weitere Teile des Entformungssystems auslegen.

Die Teilautomatisierung des Entformungssystems stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer vollständigen Automatisierung der Konstruktion von Spritzgießwerkzeugen dar.

Automatisierte Auslegung der Entformungssysteme von Spritzgießwerkzeugen

Werkzeugkonstruktion

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Machine Learning

Datenanalyse

Machine Learning für die Qualitätssicherung

Digitaler Zwilling

Vorgriff auf eine größere Systemlandschaft

Mit insgesamt 20 Spritzgießexponaten, davon neun auf dem eigenen Stand, demonstriert die Arburg GmbH + Co KG, Loßburg, nicht nur bekannte Sonderverfahren, wie das In-Mold Labeling (IML), das Mehrkomponenten-Spritzgießen und das Thermoplast-Schaumspritzgießen. Ein großer Bereich ist auch der Ver‧arbeitung von Sonderwerkstoffen gewidmet, darunter hochgefüllte magnetische Kunststoffe, Biokunststoffe und Rezyklate. 

Das seit März 2019 verfügbare Kundenportal „arburgXworld“ bietet appbasierte Services und Überwachungsfunktionen (© Arburg) 

Arburg auf der K 2019 

Eintauchen in eine digitale und ökoeffiziente Produktion 

Während der vergangenen Monate haben sich viele firmeninternen Abläufe und Entwicklungsprozesse verlangsamt und auch verändert. Trotz allem ist die Zeit nicht stehen geblieben, auch nicht in der Spritzgießtechnik. Dabei haben vor allem zwei Themen die Diskussion und Entwicklung geprägt: Digitalisierung und Kreislaufwirtschaft. Nachfolgend einige Beispiele von Entwicklungen und Projekten, die das untermauern.

In die durchgehend 3D-geformte Instrumentenblende sind zwei Displays nahtlos integriert

Innovatives Spritzgießen in Zeiten der Pandemie

Steuern, Regeln

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Digitale Transformation

Spritzprägen

Biokunststoffe

Spritzgieß-Sonderverfahren

Schnecken und Plastifiziersysteme

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Lasermarkieren

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Inline- / Online-Messsysteme

Hinterm Horizont geht’s weiter

Zwei Vereine haben sich bisher darum gekümmert, Anwendungen, Projekte und Networking in Sachen Kohlenfasern voranzutreiben. Nun machen sie gemeinsame Sache. 

Deutschlands größte Carbon-Netzwerke fusionieren 

Deutschland, Österreich, Schweiz

International

Verbände

Die Geburt des Composites United e.V. 

Im Bereich der Spritzgießmaterialien mit Hochleistungs-Carbonfasern sind Compounds mit Polyamidmatrix etabliert. Um das Bauteilgewicht weiter zu reduzieren und zugleich die Ökobilanz zu verbessern, eröffnen Polypropylen als Matrix und Recycling-Carbonfasern als Verstärkungskomponente neue Potenziale. In vielen Fällen ermöglicht diese Kombination zudem wesentliche Kostenvorteile. 

Spritzgießen mit Recycling-Carbonfasern in Polypropylen 

Eine Kombination  mit ungeahntem Potenzial 

Ganzheitliche Produktentwicklung eines carbonfaserverstärkten Fahrradrahmens

Die Plastic Innovation GmbH geht neue Wege, um Fahrradrahmen wirtschaftlich und nachhaltig mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen zu entwickeln. Bei der Konzeption funktionsintegrierter und spritzgießgerechter Designs unterstützt SimpaTec das Unternehmen mit aktuellem Simulations-Know-How.

Die Plastic Innovation GmbH geht neue Wege, um Fahrradrahmen wirtschaftlich und nachhaltig mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen zu entwickeln. Bei der Konzeption funktionsintegrierter und spritzgießgerechter Designs unterstützt SimpaTec das Unternehmen mit aktuellem Simulations-Know-How. Der Rahmen des ersten voll funktionsfähigen Demonstrators, ein E-Bike im anspruchsvollen Tiefeinsteiger-Design, wird im WIT-Verfahren mit einer Zykluszeit von 90 s vollautomatisch hergestellt.

Über 200 Jahre ist die Entwicklung des ersten Fahrrads alt. Auch wenn dieses Gefährt mit dem heutigen nicht mehr viel gemein hat, so hat das Fahrrad in den letzten Jahren dank des E-Bike-Booms eine Erfolgsgeschichte sondergleichen geschrieben. Allein in Deutschland wurden 2021 etwa 4,7 Millionen Fahrräder verkauft – davon zwei Millionen E-Bikes. Diese Entwicklung hat die Branche verändert: Durch die Integration von Akku und Motor, kombiniert mit einer schönen Formensprache, werden E-Bike-Rahmen immer komplexer und dementsprechend auch kostenintensiver in der Herstellung.

Generell ist der Markt stark im Wandel. Fahrradrahmen für den Massenmarkt werden gewöhnlich aus Aluminium hergestellt. Das zunehmende gesellschaftliche Bewusstsein für nachhaltige Produkte mit reduziertem Energieverbrauch in Herstellung, Logistik und Betrieb hat jedoch zu Versuchen geführt, Produkte der Zukunft neu zu bewerten, um ihre Effizienz zu verbessern [1]. Die Wahl des Produktionsstandorts, Herstellungsverfahrens und Materials sind Schlüsselfaktoren, um diese Ziele zu erreichen. So ermöglicht das Spritzgießen von kurzfaserverstärkten Thermoplasten die Herstellung von Strukturbauteilen in einer Vielzahl von Branchen, darunter auch Anwendungen der sogenannten Mikromobilität, wie E-Bikes, E-Scooter und Ähnliches. Dabei spielen Simulationswerkzeuge eine wichtige Rolle – mit ihnen lassen sich beispielsweise Fahrradrahmen spritzgießgerecht auslegen. Durch digitale Produktentwicklungsmethoden können auch komplexe Prozesse berechnet und dargestellt werden, um die Entwickler zu unterstützen. Und das alles zu einem Zeitpunkt an dem noch kein einziger Span gefallen ist.

WIT-Hohlraum bereits in der Entwicklungsphase definieren

Während leistungsfähige E-Motoren die technischen Anforderungen an Fahrradrahmen mehr und mehr erhöhen, erweisen sich Kunststoffe als bestens geeignet, um die Antriebstechnik in ein ansprechendes Design zu integrieren. Mit dem Modell Ecobike1 stellt V Frames den ersten voll funktionsfähigen Demonstrator als E-Bike im anspruchsvollen Tiefeinsteiger-Design vor. Dessen Rahmen wird aus einem mit 40 % Carbonfasern verstärkten Polyamid 6 (Typ: Akroloy PA CF VFrame; Hersteller: Akro-Plastic) hergestellt.

Um die übliche Rohrstruktur – Voraussetzung für die nötige Torsionssteifigkeit des Rahmens – umsetzen zu können, wird das WIT-Verfahren (Wasserinjektionstechnik) angewendet. Hierbei handelt es sich um einen zweiphasigen Prozess. Das bedeutet am Beispiel des Fahrradrahmens, dass zuerst die Formteilkavität wie im herkömmlichen Spritzgießprozess vollständig gefüllt wird. Während dieser Füllung bleiben die Überlaufkavitäten und Wasserinjektoren geschlossen. Nach der Füllung werden die Überlaufkavitäten und die Wasserinjektoren geöffnet. Das einströmende Wasser drückt den noch flüssigen Schmelzekern in dieser zweiten Phase in die nun offenen Überlaufkavitäten. Der so im Formteil erzeugte Hohlraum wird abschließend trocken geblasen.

Ziel ist es, diesen Hohlraum bereits in der Entwicklungsphase möglichst exakt zu definieren. Zusätzlich zur Füllung der Kavität mit Kunststoff und Wasser muss sowohl die Orientierung als auch die Verteilung der Fasern im Polymer berücksichtigt werden. Die Rahmensteifigkeit und die Fahrdynamik hängen stark von der Restwanddicke, der Faserorientierung, den Bindenähten sowie deren Verteilung entlang der Struktur ab. An dieser Stelle wird bereits klar, dass die Ergebnisse der Füllsimulation in der Produktentwicklung berücksichtigt werden müssen.

Vergleich der Restwanddicken aus Simulation und Messung

Für die Simulation des WIT-Prozesses hat die Plastic Innovation GmbH, Ottensheim/Österreich, Moldex3D eingesetzt [2]. Um das strukturviskose Verhalten des Kunststoffs und den komplexen WIT-Prozess sauber simulieren zu können, ist eine gute Auflösung an der Randschicht notwendig. Nur so kann der Einfluss der Schergeschwindigkeit auf den Druckverlauf und die Temperaturverteilung während des Füllvorgangs genau vorhergesagt werden. Gleichzeitig muss die Vernetzung im Kern für den Wasserkanal noch ausreichend genau sein. Für diesen Zweck wurde die BLM-Technologie (Boundary Layer Mesh) entwickelt. Qualitativ hochwertige Berechnungsnetze lassen sich einfach und zuverlässig generieren. Der Formaufbau und die Kühlkanäle wurden mit dem Assistenten von Moldex3D generiert. Auf diese Weise lässt sich das Werkzeug bereits in einer frühen Entwicklungsphase mit in die Simulation aufnehmen und kann später in die Konstruktion übernommen werden.

Ein wichtiges Beurteilungskriterium ist, ob die Simulation in der Lage ist, die Wanddickenverteilung präzise vorherzusagen. Aus diesem Grund wurde im Nachgang eine Vergleichsstudie durchgeführt. An zwei Positionen des Unterrohrs wurde der Querschnitt an jeweils vier Stellen gemessen und mit der Simulation verglichen (Bild 1). Bei Betrachtung der Mittelwerte und ihrer Standardabweichungen im Vergleich zur Simulation ist ein ähnlicher Trend der Daten von den Messpositionen 1 bis 4 zu erkennen (Bild 2). Die berechneten Wanddicken in der Simulation entsprechen hinreichend genau der Realität. Wichtig ist, dass in der Realität größere Wanddicken entstehen, als in der Simulation vorhergesagt.  Für weitere Entwicklungen bedeutet diese Erkenntnis, dass keine weiteren Sicherheitsfaktoren für die Schwankungsbreite berücksichtigt werden müssen.

Integrative Simulation: Unnötig große Sicherheitsfaktoren vermeiden

Durch die Prozesssimulation mit Moldex3D konnten mögliche Verarbeitungsinstabilitäten sowie Defekte (zum Beispiel Bindenähte, Wasserfingerbildung, ungleichmäßige Wanddickenverteilung und Faserorientierung) erkannt und behoben werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) durchgeführt. Der simulierte Wasserkanal wurde hierfür als STL-Datei exportiert und in die FEA importiert. Auch bei anderen Produkten ist es empfehlenswert, diese Informationen in die FEA mitzunehmen, um nicht unnötig große Sicherheitsfaktoren einbauen zu müssen.

Sicherheitsfaktoren bedeuten immer, dass ein Produkt dickwandiger ausgelegt werden muss, als es für den Einsatzzweck notwendig gewesen wäre. Damit wird nicht nur mehr Material benötigt, sondern auch gleichzeitig prozessbedingt die Zykluszeit unnötig verlängert. Werden die Ergebnisse aus der Prozesssimulation in die Strukturmechanik mitgenommen, spricht man auch von einer integrativen Simulation.

Bei der Entwicklung des Fahrradrahmens ging Plastic Innovation sogar noch einen Schritt weiter. Das Unternehmen entschied sich für einen ganzheitlichen Produktentwicklungsansatz und berücksichtigte neben der integrativen Simulation zusätzlich die Werkzeugkonstruktion und die Automatisierung. Das Automatisierungsziel des Kunden lag in einer konstanten, effizienten Taktzeit der folgenden Arbeitsschritte: den aus dem Spritzgießwerkzeug entformten Rahmen auf dem Transportband abzulegen sowie das für die Montage des Lenkers notwendige Steuerrohr-Insert aus Aluminium aufzunehmen und für den nächsten Zyklus in das Werkzeug einzusetzen. Diese Schritte erfolgen beim Produzenten V Frames GmbH.

Die Lücke zwischen Herstellprozess und Strukturmechanik schließen

Für die FEA wurde die Prüfung in Anlehnung an DIN EN 15194:2018–11 (Fahrräder – Elektromotorisch unterstützte Räder – EPAC; Electrically Power Assisted Cycles) nachgestellt. Diese Prüfung wurde nach der abgeschlossenen Entwicklung auch am fertigen Fahrradrahmen durchgeführt. Um die Prüfung zu bestehen, darf der Fahrradrahmen nach mehreren zyklischen Belastungen nicht brechen. Der Lastfall setzt sich zusammen aus einem Tretmoment von 213 Nm, einer Sitzbelastung von 1250 N sowie vertikalen und horizontalen Belastungen von 300 N bzw. 205 N auf beiden Seiten des Dummy-Lenkers (Bild 3). Der Rahmen ist an zwei Positionen fixiert, zum einen an der hinteren Achse, zum anderen wurde die Dummy-Gabel sowohl in vertikaler als auch in seitlicher Richtung befestigt, wodurch die Drehung sowie auch die axiale Verschiebung uneingeschränkt bleiben (Bild 4).

Für die FEA wurde die Software Marc eingesetzt [3]. Gerade wenn es um nichtlineare Systeme geht, wie bei diesem Fahrradrahmen, aber auch bei allen anderen Kunststoffprodukten, ist Marc die ideale Lösung. Um die Lücke zwischen Herstellprozess und Strukturmechanik zu schließen, kommt die multiskalare Materialmodellierung inklusive Schnittstelle zur FEA mit Digimat zum Einsatz [3]. Mit dieser Material-Modellierungstechnologie kann das komplexe anisotrope Materialverhalten samt Versagen sowie Schädigung berechnet werden.

Damit Digimat das realitätsnahe Materialverhalten berechnen kann, reichen einfache, standardisierte Materialmessungen aus, um diese auf das komplexe Bauteil zu übertragen. Digimat und der FE-Solver kommunizieren miteinander und tauschen Daten sowohl zum Materialverhalten als auch zu Belastungssituationen miteinander aus. So ist es möglich, die prozessbedingten Eigenschaften, wie Faserorientierung, Bindenähte und Eigenspannungen, in der Berechnung zu berücksichtigen.

Um die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse zu erleichtern, bietet Digimat weitere Ergebnisplots an. Damit kann das anisotrope Materialverhalten in Form von Indikationen und Auslastungsgraden dargestellt werden. Somit konnte die Simulation richtig vorhersagen, dass der Fahrradrahmen die Prüfung nach DIN EN 15194:2018–11 bestehen wird. Zusätzlich konnte auch das Bauteilverhalten in Bezug auf das komplexe Materialverhalten im Detail betrachtet werden.

Die Betrachtung von Mises-Vergleichsspannungen (Bild 5) ist eine gängige Methode zur Beurteilung der Spannungsverteilung. Diese Methode ist aufgrund der Anisotropie jedoch nur bedingt anwendbar. In Bezug auf den Fahrradrahmen ist zu sehen, dass die Spannungen im nicht kritischen Bereich liegen. Vergleicht man dieses Ergebnis mit weiteren Ergebnisplots, die Digimat bietet, erhält man eine noch umfangreichere und bessere Beurteilung über den Fahrradrahmen und kann damit realitätsgetreuere Aussagen treffen.

Anhand des Auslastungsgrads der maximalen Steifigkeit (Bild 6) können die kritischen Bereiche schnell und einfach ersichtlich ermittelt werden. Bei einem Auslastungsgrad über 1 tritt ein Versagen auf. Alle Bereiche unter 1 weisen eine entsprechende Sicherheit auf.

Auch der Auslastungsgrad der Fasern in Bezug auf deren Orientierung stellt eine wesentliche Hilfe dar, um besser einschätzen zu können, ob es in gewissen Bereichen notwendig ist, die Faserorientierung zu verbessern. Um den Einfluss der Bindenähte zu beurteilen, werden Knockdown-Faktoren in der Simulation berücksichtigt. Je nachdem, welche Eigenschaften die Bindenaht hat, verringert diese die lokal zulässige Belastung. Für die Fragestellung, wie sich der Belastungsfall auf die lokale Materialbeanspruchung auswirkt, hilft das Ergebnis der Triaxialität weiter, sodass direkt zwischen Zug-, Druck-, Scher- sowie biaxialen Belastungszuständen unterschieden werden kann. All diese Ergebnisse erleichtern es, das Bauteil so auszulegen, dass es den Belastungen standhält, aber dennoch so leicht wie möglich sein kann.

Positive Ökobilanz mit recycelten Carbonfasern

Die Materialsubstitution von Metallen durch Thermoplaste eröffnet auch neue Recyclingstrategien. Die beste Strategie besteht darin, rezyklierte Materialien für Strukturkomponenten statt für Nichtstrukturkomponenten oder andere Zwecke (thermisches Recycling, Deponie) einzusetzen. Für den Fahrradrahmen wurde ebenfalls eine Umweltbilanz (LCA) durchgeführt. Dabei wurde verglichen, inwieweit sich der Wechsel von Aluminium 6061 T6 zu einem mit rezyklierten Carbon-Kurzfasern verstärkten Polyamid auswirkt.

Die erstellte Bilanz basiert auf der CML-Methode, einem mehrdimensionalen Ansatz der Ökobilanzierung, der am Centrum voor Milieukunde in Leiden/Niederlande (CML) entwickelt wurde. Die Charakterisierung und Normalisierung der Wirkkategorien wurden mit der Software GaBits 10.6. am Energieinstitut der Johannes Kepler Universität Linz durchgeführt. Für den Vergleich wurde eine Funktionseinheit (vergleichende Menge, 36 Fahrradrahmen) definiert. Bewertet wurden die Rohstoffbeschaffung und die Produktion bis zum Transport (Cradle-to-gate-Systemgrenze). Voraussetzung dabei war, dass die Fahrradrahmen mit äquivalenten Struktureigenschaften aus beiden Materialien hergestellt werden können. Bei dieser Analyse ergab das Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP, bezogen auf einen Zeitraum von 100 Jahren), dass die CO2 -Äquivalente (pro Funktionseinheit) von Aluminiumrahmen 1604,64 kg CO2 -eq betragen und die von Polyamid 444,4 kg CO2 -eq. Dies bedeutet, dass mit dem Fahrradrahmen aus Polyamid mit recycelten Carbon-Kurzfasern eine CO2 -Reduktion von ungefähr 70 % möglich ist.

Inzwischen hat sich dieses neuartige Fertigungsverfahren bewährt. Kunststoffrahmen, die in ihrer Steifigkeit und Masse mit Aluminiumrahmen vergleichbar sind, wurden strukturell so optimiert, dass sie massentauglich und gleichzeitig energieeffizient und nachhaltig hergestellt werden können.

[1] Stelzer, P. S.; Cakmak, U.; Eisner, L.; Doppelbauer, L.; Kállai, I.; Schweizer, G.; Prammer, H. K.; Major, Z.: Experimental feasibility and environmental impacts of compression molded carbon fiber composites with opportunities for circular economy. Composites Part B (2021), submitted, revised, under review

[2] Moldex3D ist ein eingetragenes Warenzeichen der CoreTech System Co., Ltd., Taiwan

[3] Marc und Digimat sind eingetragene Marken der Hexagon AB, Stockholm/Schweden

Ausgabenartikel KU10-22

Mit Wasser geflutet: Die neue Generation der E-Bike-Rahmen wird im WIT-Verfahren hergestellt. 

Bild 1. a) Schnittpositionen des Unterrohrs für die Wanddickenmessung; b) Markierung der vier Messpositionen über den Querschnitt des Unterrohrs; c) einer der berechneten Hohlkörperquerschnitte.

Bild 2. Vergleich der experimentellen und berechneten Wanddicken an den vier Messpositionen des Rahmenunterrohrs.

Bild 3. Unterschiedliche Belastungen, die auf den Fahrradrahmen wirken, ergänzen sich zum Lastfall.

Bild 4. Messaufbau bei der Belastungsprüfung.

Bild 5. Die Spannungsverteilung mittels Mises-Vergleichsspannungen ist aufgrund der Anisotropie nur bedingt anwendbar.

Bild 6. Der Auslastungsgrad der maximalen Steifigkeit offenbart die kritischen Bereiche.

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DI Dr. Umut Cakmak ist Geschäftsführer der Plastic Innovation GmbH, Ottensheim/Österreich, und Senior Scientist am Institute of Polymer Product Engineering der Johannes Kepler Universität Linz; <a href="mailto:umut.cakmak@plasticinnovation.at">umut.cakmak@plasticinnovation.at</a>

Cristoph Hinse ist Geschäftsführer der SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH, Aachen; <a href="mailto:sales@simpatec.com">sales@simpatec.com</a>

Tobias Schäfer M. Sc. ist R & D Engineer bei SimpaTec; <a href="mailto:t.schaefer@simpatec.com">t.schaefer@simpatec.com</a>

Ing. Florian Aichberger (M. Sc.) ist Vertriebsingenieur bei der SimpaTec GmbH in Österreich; <a href="mailto:f.aichberger@simpatec.com">f.aichberger@simpatec.com</a>

Die Autoren danken den beteiligten Unternehmen für die Unterstützung:

<ul><li>V Frames GmbH: Spritzgießwerkzeug, Automatisierung und Produktion</li><li>Coleo Design GmbH: Konzeptionierung und Design</li><li>Johannes Kepler Universität Linz – Institute of Polymer Product Engineering: Simulation und Testing</li><li>Engel Austria GmbH: Maschinenhersteller und anwendungstechnische Unterstützung</li><li>Akro-Plastic GmbH: Materialhersteller und anwendungstechnische Unterstützung</li><li>Plastic Innovation GmbH: Produktentwicklung & Simulation</li></ul>