Nach 2019 veranstaltete der Maschinenbauer Engel am 6. Mai 2021 zum zweiten Mal seinen „Lightweight Future Day“, diesmal als Online-Format. Der Titel war durchaus programmatisch zu verstehen.

Der Fahrzeuginnenraum ist eine wahre Spielwiese für Leichtbauwerkstoffe, Lacke und hauchdünne Kunststofffolien

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Zweite Auflage des Engel Lightweight Future Day

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Doriat, Clemens, Dr.

Sekundärfasern

Kunststoff Werkstoffe

Kunststoff-Rezyklat

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Spritzgießmaschinen, allgemein

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen

Leichtbau

UD-Tapes

Verstärkungsstoffe

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Crashtüren, Bio-Kindersitze und Schweizer Finnen

Seit Oktober 2020 ist Warden Schijve Teil des AZL-Engineering-Teams und baut den Bereich für Produkt- und Anwendungsentwicklung im Leichtbau weiter aus.

Begrüßung des neuen Kollegen im AZL Tech Center (v. l.): Dr. Michael Emonts, Warden Schijve, Philipp Fröhlig und Dr. Kai Fischer

Glasfasern / -matten

Kohlenstofffasern / -matten

Faserverarbeitung

Aramidfasern

Personen

kunststoffe.de

Werkzeuge für Faserverarbeitung

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Kunststofffasern

Neues Mitglied im AZL-Engineering-Team

Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Composites etablieren sich auch bei dünnwandigen Gehäusen. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, helfen das Gewicht zu senken und ermöglichen ein edles Design und Funktionsintegration. Werden die Gehäuse im Hybrid-Molding-Verfahren gefertigt, lassen sich außerdem Kosten, Verarbeitungsschritte und Zykluszeiten reduzieren

Das Smartphone Carbon 1 Mark II von Carbon Mobile wurde in Deutschland entwickelt.  Die mattschwarzen Carbonfasern verleihen dem Smartphone einen edlen Hightech-Look

Composites senken das Gewicht und erleichtern die Produktion von Elektronikgehäusen

Composite-Halbzeuge

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Leichtbau für die Hosentasche

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

Elektronik

Mehr als nur Leichtbau

 Bei der Produktion von Organoblechen fallen Verschnittreste an, die sich nicht direkt wieder in den Herstellungsprozess zurückführen lassen. Die werkstoffliche Verwertung dieser Verschnitte stellt dafür einen vielversprechenden Recyclingansatz dar.

Selbst bei einer möglichst optimierten Herstellung von Organoblechen fallen dennoch relativ große Mengen an Verschnittresten an 

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Faserverstärkte Thermoplaste mechanisch rezyklieren und in die Produktion zurückführen

Mahlgut

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Mahlen

Organoblech-Verschnitte recyceln

Zur Erwärmung von endlosfaserverstärkten Thermoplasten eignet sich auch der Joule-Effekt. Am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Halbzeuge über Kontaktelemente bestromt werden.

Joulesche Erwärmung: Durch Halbzeuge fließt Strom über direkte Kontaktelemente und erwärmt das Bauteil von innen heraus über das gesamte Volumen

Einfluss der Kontaktierung auf die Joulesche  Erwärmung endlosfaserverstärkter Thermoplaste

Heizeinrichtungen, elektrisch

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Thermoplaste

Richtig heiß mit runden Ecken

Zum sechzehnten Mal hat Composites Germany aktuelle Kennzahlen zum Markt für faserverstärkte Kunststoffe erhoben. Befragt wurden alle Mitgliedsunternehmen der drei großen Trägerverbände von Composites Germany.

Kunststoffverarbeitung allgemein

Kunststoffverarbeitung

Verbände

Ergebnis der 16. Composites-Markterhebung liegt vor

Engel konnte nachweisen, dass sich Regranulate aus Organoblechverschnitt unter Beibehaltung der Materialeigenschaften im Spritzgießverfahren verarbeiten lassen. Composite-Rohstoffe könnten so vollständig im Kreislauf gehalten werden. Das macht die Materialien für den Leichtbau umso interessanter.

Das tapebasierte Organoblech wird mit einem Regranulat, das aus Verschnittabfällen derselben Organobleche produziert wird, umspritzt. Dieser konsequente Monomaterialansatz macht es möglich, Composite-Rohstoffe vollständig im Kreislauf zu halten 

Regranulat aus Organoblech-Beschnitten beim Spritzgießen einsetzen

100 Prozent Materialnutzung

Viele Materialien benötigen ein speziell auf die Materialeigenschaften abgestimmtes Dosierkonzept wie den Faserdosierer FiberXpert von Brabender Technologie.

FiberXpert FX225 eignet sich ideal für das Dosieren von langen und unregelmäßigen Fasern.

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

Materialhandling

Dosieren von langen und recycelten Fasern

Für Fertigungsverfahren, mit denen sich Leichtbauteile in Großserien kosteneffizient herstellen lassen, gibt es einen wachsenden Bedarf.

Laserstrukturieren: Laserstrahlung hoher Intensität verdampft lokal Metall und erzeugt dabei Mikrostrukturen mit Hinterschneidungen. Auf der so vorbehandelten Oberfläche können faserverstärkte Kunststoffe durch mechanische Verkrallung gut haften (© Fraunhofer ILT)

Lasergestütztes Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung von Hybridbauteilen

Laserstrukturieren

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Verbindungstechnik, hybride

Verbindungstechnik Verfahren

Lasertechnik

Schnüre, Bänder, Tapes

Karosseriebauteile lokal verstärken

Mit der Herstellung von Demoteilen für Pkw-Türmodule im sogenannten organomelt-Verfahren unternimmt Engel im Bereich des thermoplastbasierten Composite-Leichtbaus den nächsten Schritt in Richtung Großserie. Die Fertigungszelle ist die weltweit erste, die drei unterschiedlich dicke Organobleche mittels IR-Strahlung aufheizt, umformt und im selben Prozessschritt im Spritzgießverfahren eine hochwertige Sichtoberfläche ausformt.

Die lastgerechte Auswahl der Organobleche ermöglicht es, die unterschiedliche Belastung der einzelnen Bauteilbereiche gezielt zu berücksichtigen

Thermoplastische Composites mit höchster Effizienz lastgerecht fertigen

Spritzgießwerkzeuge

Handling, Handhabungstechnik

Automatisierungstechnik

Industrieroboter

Montagetechnik

Knickarmroboter

Wie dünn darf’s denn sein?

Für den Einsatz als Textilien müssen Polyamidfasern flammgeschützt sein. Eine interessante Alternative zu halogenhaltigen Flammschutzmitteln stellen inhärent flammgeschützt Polymere dar, die zusammen mit Polyamid zu Blends verarbeitet und anschließend zu Fasern gesponnen werden.

Bild 1. Gestrick aus unbehandeltem PA66 a) vor b) und nach der Brandprüfung, sowie Gestrick aus intrinsisch flammgeschütztem PA66 c) vor und d) nach der Brandprüfung: Die Wirkung des Flammschutzmittels ist gut zu erkennen.

Flammschutz von Kunststofffasern

Blend

Polyamide

Flammschutzmittel

Additive

Intrinsisch flammgeschütztes Polyamid

In modernen Fahrzeugen spielt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine immer wichtigere Rolle. EMV-Kunststoffe helfen dabei, Störungen durch elektromagnetische Felder sicher und kosteneffizient zu verhindern.

Interieur des Konzeptfahrzeugs Rinspeed MetroSnap: Bei aktuellen Fahrzeugentwicklungen spielt die EMV-Abschirmung eine immer größere Rolle. Dafür bieten sich in vielen Fällen entsprechend gefüllte Kunststoffe an. 

Fahrzeugelektronik gegen elektrische und magnetische Felder abschirmen

Füllstoffe, allgemein

Füllstoffe für Kunststoffe

Technische Kunststoffe

EMV-Schutz für den  rollenden Computer

Thermoplastischen Tapes wird Großes zugetraut. Sie sollen die nächste Generation der thermoplastischen Composites prägen. Dazu muss das Legen der Tapes hochgenau erfolgen. Allerdings darf die Tapeverarbeitung nicht zu aufwendig werden, damit die Wirtschaftlichkeitsrechnung aufgeht. Durch Kombination hochpräziser Steuerungssoftware mit Kameratechnik beim Tapelegen leistet Engel einen wichtigen Beitrag für den Durchbruch dieser Technologie.

Für eine hohe Fertigungseffizienz wird eine Tapelegezelle vorzugsweise mit zwei Robotern und einer Kamerastation ausgerüstet

Softwarebasiertes Tapelegen mit Kamera bereitet thermoplastischen Composites den Weg

Anlagen zur Composite-Herstellung

Kameras

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Optische Mess- und Prüfverfahren

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Blick fürs Essenzielle

Die Optik spielt bei Kunststoffbauteilen eine immer größere Rolle. Entscheidend für ein ansprechendes Aussehen sind glänzende und gleichmäßige Oberflächen. Diese Anforderungen lassen sich bei glasfaserverstärkten Polyamiden bisher meist nur mit einer zusätzlichen Lackierung erreichen. Eine Alternative bietet ein speziell für die Gestaltung von Oberflächen entwickeltes Polyamid.

Bei Sichtbauteilen ist häufig eine gleichmäßige, glänzende Oberfläche gewünscht, die sich mit glasfaserverstärktem Polyamid oft nur schwer erreichen lässt. Grivory G7V von EMS löst dieses Problem

Aliphatisches Hochleistungspolyamid für Oberflächen

Glänzende Bauteile ohne Lackierung

Die Umweltauswirkungen der Produktion von FVK-Bauteilen bewerten

Leichtbau mit Faserverbundkunststoffen spart im Betrieb von Automobilen und Flugzeugen Energieressourcen ein. Den Einsparungen stehen jedoch häufig höhere Verbräuche in der Produktion gegenüber. Deshalb rückt die Nachhaltigkeit bei der Fertigung verstärkt in den Fokus. Eine entsprechende Nachhaltigkeitsbetrachtung für die Verarbeitung von thermoplastischen UD-Tapes zu funktionsintegrierten Bauteilen hat das Forschungsinstitut Neue Materialien Bayreuth durchgeführt.

Nach einer Studie des Meinungsinstituts Agora Verkehrswende aus dem Jahr 2019 entfallen bei Elektrofahrzeugen über den kompletten Lebenszyklus im Schnitt 42 % der CO2-Emissionen auf die Herstellung, 56 % auf die Nutzungsphase und jeweils 1 % auf Entsorgung und Recycling sowie sonstige Verbräuche [1]. Leichtbau ermöglicht eine Reduzierung der CO2-Emissionen während der Nutzungsphase. Für Leichtbaulösungen fallen jedoch im Vergleich zu konventionellen Bauweisen häufig höhere Energieverbräuche in der Produktion an (Bild 1). Bei Faserverbundkunststoffen erzeugt die Herstellung der Verstärkungsfasern, vor allem die energieintensive Herstellung von Kohlenstofffasern, bereits relativ hohe CO2-Emissionen, die die Leichtbaulösung in der Nutzungsphase erst wieder amortisieren muss. Am Ende des Produktlebenszyklus sind noch die Verbräuche des Recyclings zu berücksichtigen, die bei Verbundwerkstoffen häufig ebenfalls höher sind.

Die wesentliche Frage für Leichtbaulösungen im Hinblick auf die Nachhaltigkeit ist deshalb, wie hoch der CO2-Ausstoß der Produktion sein darf, dass mit den Einsparungen in der Nutzungsphase am Ende noch ein Vorteil gegenüber konventionellen Lösungen besteht. Die Emissionseinsparungen durch den Leichtbau in der Nutzungsphase lassen sich gut berechnen. Für eine Gesamtbilanz ist jedoch zusätzlich noch der Fußabdruck der Herstellung notwendig. Am Forschungsinstitut Neue Materialien Bayreuth (NMB) wurden entsprechende Untersuchungen zur CO2-Bilanz der Produktion von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen durchgeführt.

Ziel der Arbeiten der NMB war die Etablierung geeigneter Modelle zur ökobilanziellen Bewertung der Herstellung von Leichtbauteilen auf Basis kontinuierlich verstärkter thermoplastischer Tapes (UD-Tapes). Die Methode der Ökobilanzierung oder auch Lebenszyklusanalyse (engl. Life-Cycle-Assessment, LCA) nach DIN EN ISO 14040 und 14044 beschreibt die Vorgehensweise zur quantitativen Bewertung der potenziellen Umweltauswirkungen eines Produkts über seinen gesamten Lebensweg [2, 3]. Je nach Zweck einer LCA können als Rahmen auch Teilsysteme (z. B. cradle to gate, gate to gate, cradle to grave) betrachtet werden.

Den Untersuchungsrahmen und die Wirkungskategorie festlegen

Im ersten Schritt wird zuerst ein Untersuchungsrahmen festgelegt, der die Systemgrenzen, eine funktionelle Einheit und die Annahmen, Methoden und Randbedingungen definiert. Nachdem der Untersuchungsrahmen festgelegt ist, werden in dem folgenden Schritt der Sachbilanz (engl. Life Cycle Inventory) alle Medienflüsse der Produktionskette im Betrieb quantitativ erfasst und bei Bedarf mit Datenbankwerten ergänzt. Abschließend wird die gewünschte Wirkungskategorie festgelegt, nach der ausgewertet wird. Beispiele für solche Wirkungskategorien mit zugehörigem Wirkungsindikatorwert sind Treibhauseffekt oder Global-Warming-Potenzial in kg CO2 eq. (Kilogramm CO2-Äquivalente), Flächenverbrauch und Flächeneinheit in km2 oder Versauerung und Versauerungspotenzial in kg SO2 eq. Die Auswertung der LCA findet bereits parallel zu allen Teilschritten statt.

In den letzten Jahren haben kontinuierlich faserverstärkte thermoplastische Verbundkunststoffe, primär Organobleche, in die automobile Serienfertigung Einzug gefunden. UD-Tapes stellen dafür eine sinnvolle Ergänzung dar, da sie lastgerechte Preforms ermöglichen und konturabhängig den Verschnitt reduzieren. Thermoplastische Verbundwerkstoffe bieten Vorteile, wie kurze Zykluszeiten, Funktionsintegration über Spritzgießen sowie Recyclingfähigkeit. Neben der Anwendung im Automobilsektor besitzen sie auch ein großes Potenzial für weitere Anwendungen wie Sportartikel und die Luftfahrtindustrie. Die NMB hat in den zurückliegenden Jahren mit der FORCE-Prozesskette (FORCE = Functionalized Oriented Composites) einen Ansatz für die Herstellung thermoplastischer Leichtbauteile im Industriemaßstab erarbeitet, der die Verarbeitung vom UD-Tape bis zum Overmolding-Bauteil umfasst (Bild 2) [4 – 6].

Am Beispiel der FORCE-Prozesskette lässt sich gut das Ökobilanzierungsverfahren einer Faserverbundbauteilproduktion verdeutlichen. Für die ökobilanzielle Betrachtung wird der Ablauf dieser Prozesskette (Flussdiagramm in Bild 3) in der Software GaBi (Version 9.2.1, Hersteller: Sphera Solutions) modelliert. Für die Nachhaltigkeitsbewertung wird als Systemgrenze ein „cradle to gate“-Ansatz gewählt. Das beinhaltet alle Daten von Beginn der Herstellung, auch der Rohmaterialien und Halbzeuge, bis zum „Fabriktor“, wenn das Bauteil die Produktionsstätte verlässt. Die Herstellung der Rohmaterialien wird über die Datenbanken „Professional“ und „Carbon Composites Extension“ der GaBi-Software abgebildet. Als funktionelle Einheit und somit als Bezugsgröße der Bewertung wird „ein Bauteil“ gewählt. Dadurch können auch die Auswirkungen des Einsatzes unterschiedlicher Materialien und Lagenaufbauten für ein und dasselbe Bauteil verglichen werden. Die Aufwände zur Schaffung der Infrastruktur und für Personal und Transportwege werden im Rahmen dieser Bilanz nicht berücksichtigt.

Als Bauteil für die Untersuchungen wurde ein komplexes Overmolding-Bauteil aus dem Forschungsprojekt 2D-MultiMat verwendet (Bild 4), entwickelt gemeinsam mit den Unternehmen Brose Fahrzeugteile und Rehau Automotive. Es besteht aus einem Gewebe-Organoblech und einer UD-Mehrlagenstruktur auf Basis von Polypropylen (PP). Verglichen wurde ein rein kohlenstofffaserverstärktes (CF) Bauteil mit einer kostenoptimierten, hybriden Preform aus Kohlenstoff- und Glasfasern (CF-GF-Hybrid) [7]. Für die Funktionsintegration im Spritzgießschritt wurde langglasfaserverstärktes PP verwendet. Die Preforms wurden mit der FORCE-Legetechnik hergestellt mit anschließender Formgebung und Funktionsintegration durch Spritzgießen in einem One-Shot-Prozess auf einer 25 000-kN-Spritzpresse.

In einem ersten Schritt wurde die Herstellung eines Demonstratorbauteils auf Laminatbasis lediglich bestehend aus PP-CF-UD-Tapes mittels FORCE-Prozesskette untersucht. Die Auswertung ergibt CO2-Emissionen von insgesamt 17 kg CO2-Äquivalent für die funktionelle Einheit eines Bauteils. Die dominanten Beiträge zur CO2-Gesamtbilanz sind die in der Herstellung energieintensiven CF-Tapes sowie der Verarbeitungsschritt des Tapelegens. Bei der Tapelegeanlage dominiert der Energieverbrauch aus den Legesystemen, die mit Unterdruck arbeiten. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die FORCE-Placement-Anlage für großflächige Laminate bis 1500 mm x 1500 mm ausgelegt ist, bei dem untersuchten Bauteil jedoch lediglich ein Viertel der möglichen Legefläche ausgenutzt wurde. Eine Legeanlage für ein Serienbauteil wäre hingegen optimal auf die spezifische Bauteilgröße angepasst. Daher wurde im nächsten Schritt die Tapelegeanlage für das Bauteil optimiert und der Legeprozess in einem separaten Projekt auf Optimierungspotenziale untersucht.

Optimierung des Tapelegens mit  digitalem Zwilling

Der größte Einfluss auf die Umweltauswirkungen eines Leichtbauteils wird in den frühen Phasen der Produktentwicklung genommen. Durch Prototyping und Produktionsbeginn steigt zwar die Datenqualität für eine Nachhaltigkeitsbetrachtung, da Werkstoffe festgelegt sind und Energieverbräuche in der Produktion exakt erfasst werden können. Das Ergebnis lässt sich somit gut bewerten. Jedoch kann es an diesem Punkt kaum noch beeinflusst werden. Daher bieten digitale Tools wie digitale Zwillinge inzwischen die Möglichkeit, nicht nur das Bauteil, sondern auch den Herstellungsprozess in den frühen Phasen der Produktentstehung zu simulieren und auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit zu optimieren.

Für den Prozess des Tapelegens hat die NMB mit ihrem Partner SWMS Systemtechnik Ingenieurgesellschaft im Projekt OptiTape die Legesoftware CAESA um den digitalen Zwilling der FORCE-Placement-Tapelegeanlage erweitert (Bild 5). Damit wird vorab der komplette Legeprozess simuliert und visualisiert. Als Input können die Variablen Laminatdesign, Tapeeigenschaften (etwa Preis, CO2-Footprint der Halbzeuge, Breite), zulässige Toleranzen, Schrägschnitt und eine auf einem Algorithmus basierende Optimierungsstrategie gewählt werden. Je nach gewünschtem Ziel stehen verschiedene Optimierungsalgorithmen zur Verfügung. Es kann nach Emissionen, Kosten oder Legezeit optimiert werden. Dabei wird für das vorgegebene Laminatdesign die optimale Legestrategie ermittelt, visualisiert und validiert. Falls die UD-Tapes noch nicht in einer bestimmten Breite vorliegen, weil beispielsweise eine Mutterspule direkt aus der Produktion zur Verfügung steht, kann die Software auch optimale Tapebreiten für das Schneiden der Mutterspule ermitteln. Die Legeanlage kann parallel zwei verschiedene Tapebreiten verarbeiten oder Werkstoffe in eine Preform legen. Abschließend werden für jedes Bauteil die Legedauer, Ressourcenverbräuche und der Verschnitt angeben.

Optimierung der CO2-Bilanz für das Demonstratorbauteil

Für die Optimierung der CO2-Bilanz wurden zwei Wege verfolgt: Einerseits die Anpassung des Materialmix im Bauteil (Lagenaufbau) und anderseits die energetische Optimierung des Tapelegeprozesses. Beide Faktoren tragen wesentlich zu den Emissionen des reinen CF-Bauteils bei. Beim Lagenaufbau kann durch schmalere Tapes der Verschnitt reduziert werden. Jedoch führt das zu einer längeren Maschinenbelegungszeit und damit auch zu einem höheren Energieverbrauch der Tapelegeanlage, da sich die Nutzungszeit des Vakuumsystems verlängert. Wirtschaftlich wie auch ökologisch ist die optimale Tapebreite ein Kompromiss zwischen geringstem Verschnitt und kürzester Maschinenlaufzeit. Für eine optimierte Ressourceneffizienz des Bauteils wurde die Lagenstruktur durch einen GF-CF-Hybridaufbau optimiert [7]. Während im Ausgangslaminat nur mit CF-Tapes verstärkt wurde, reduziert sich dadurch der Anteil an CF-Tapes auf 16 Gew.-%. Der Rest sind GF-Tapes. Die CF-Tapes werden dabei nur an den hochbelasteten Lastpfaden im Bauteil eingesetzt. Dadurch sinken die Materialkosten um 50 %, die Legezeit um 18 %, während das Bauteilgewicht um 16 % steigt und die Bauteilsteifigkeit je nach Lastfall um 10 bis 30 % vermindert wird.

Ergänzend zur Materialsubstitution wurden von der NMB erste energetische Optimierungen an der Tapelegeanlage durchgeführt. Die Unterdrucksysteme werden nur noch in den benötigten Bereichen eingesetzt. Außerdem kann bei Tapes mit geringen Eigenspannungen weniger Unterdruck für das Ansaugen der Tapes verwendet werden. Ergänzend kann auf dem großen Legetisch ein Nesting für den Aufbau von bis zu vier parallelen Preforms erfolgen. In Summe ließen sich dadurch die CO2-Äquivalente je Bauteil um 47 % von 17 auf 9 kg senken (Bild 6). Nach den Optimierungen dominieren den Energieverbrauch im Prozess nun die Tapelegeanlage mit 27 % und die Spritzpresse mit 25 % gefolgt von den CF-Tapes mit 14 %. Vergleicht man die addierten Anteile an den CO2-Emissionen, tragen die Werkstoffe durch ihre Herstellung mit 41 % und die Verarbeitung mit 58 % zu den Gesamtemissionen des Leichtbauteils bei. Daraus lässt sich für weitere Forschungsarbeiten das klare Ziel ableiten, die Overmolding-Prozesskette energetisch weiter zu optimieren, um den CO2-Verbrauch von Leichtbauteilen in der Produktion zu minimieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass zur Minimierung des CO2-Fußabdrucks von Leichtbauteilen auf Basis von thermoplastischen UD-Tapes, zwei wesentliche Punkte zu beachten sind: Materialeinsparpotenziale (Verschnitt, lastangepasste Hybridstrukturen) müssen konsequent genutzt und der Fertigungsprozess energetisch optimiert werden. Die Kombination aus digitalem Zwilling und LCA-Modell des Herstellungsprozesses ermöglicht es bereits früh in der Bauteilentwicklung, ökonomische und ökologische Aspekte zu optimieren. Die NMB unterstützt interessierte Firmen bei der Entwicklung von maßgeschneiderten Lösungen für nachhaltigere FVK-Leichtbaustrukturen.

[1] Klimabilanz von Elektroautos-Einflussfaktoren und Verbesserungspotenzial. Agora Verkehrswende, Berlin 2019

[2] EN ISO 14040:2006: Umweltmanagement – Ökobilanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen. Beuth, Berlin 2021

[3] EN ISO 14044:2006 + A1:2018: Umweltmanagement – Ökobilanz – Anforderungen und Anleitungen. Beuth, Berlin 2021

[4] Mühlbacher, M.; Altstädt, V.; Spörrer A.; Michel, P.; Seidel, S.: Großserientauglicher Hochleistungsleichtbau. Kunststoffe 102 (2012) 5, S. 53–58

[5] Kropka, M.; Mühlbacher, M.; Neumeyer, T.; Altstädt, V.: Faserverbundbauteile im Minutentakt: Großserientaugliche Prozesskette vom UD-Tape zum thermoplastischen Composite-Produkt aus einer Hand. Kunststoffe 106 (2016) 10, S. 164–168.

[6] Lengsfeld, H.; Lacalle, J.; Neumeyer, T.; Altstädt, V.: Faserverbundwerkstoffe: Prepregs und ihre Verarbeitung. 2. Aufl. Carl Hanser Verlag, München 2020

Neue Materialien Bayreuth GmbH  

https://www.nmbgmbh.de

Ausgabenartikel KU02-22

Bild 6. Durch den Ersatz der CF-Tapes durch GF-CF-Hybrid-Varianten und die energetische Optimierung des Herstellungsprozesses lässt sich der CO2-Fußabdruck des Demonstratorbauteils um insgesamt 47 % reduzieren. Das Beispiel verdeutlich das große Einsparpotenzial durch Anpassungen bei den Materialien und der Herstellung.

Bild 1. Leichtbau vs. konventionelle Bauweise: Schematische Darstellung des Energiebedarfs für Leichtbaulösungen im Vergleich zu konventionellen Lösungen in der Herstellung sowie anschließenden Nutzungsphase.

Bild 2. Die FORCE Prozesskette ermöglicht die Herstellung funktionsintegrierter Faserverbundkunststoffbauteile im industriellen Maßstab auf Basis von UD-Tapes in kurzen Zykluszeiten.  

Bild 3. Das Flussdiagramm zeigt die im Betrieb gemessenen Medienflüsse in der FORCE-Prozesskette zur Produktion von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen und den gewählten Untersuchungsrahmen. 

Bild 4. Demonstratorbauteil gefertigt mit Laminaten aus Gewebe-Organoblechen und UD-Tapes (CF oder GF-CF-Hybrid)

Bild 5. Der digitale Zwilling der FORCE-Placement Tapelegeanlage auf Basis der CAESA-Software ermöglicht Optimierungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit in der frühen Produktphase.

KU 2-22_NMB - Hauptartikel

Dipl.-Ing. Mathias Mühlbacher ist Teamleiter Faserverbundwerkstoffe und stellvertretender Bereichsleiter Kunststoffe bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH (NMB); <a href="mailto:mathias.muehlbacher@nmbgmbh.de">mathias.muehlbacher@nmbgmbh.de</a> B. Sc. Kathrin Kirchmeier hat sich bei der NMB im Rahmen ihrer Bachelorarbeit mit dem Thema Nachhaltigkeitsbewertung der Fertigung thermoplastischer Faserverbundbauteile beschäftigt. Dr. Thomas Neumeyer leitet den Geschäftsbereich Kunststoffe der NMB. Prof. Volker Altstädt war bis 2021 Geschäftsführer der NMB.

Die Autoren bedanken sich bei den Projektpartnern Brose Fahrzeugteile, Rehau Automotive und SWMS Systemtechnik Ingenieurgesellschaft für die gute Zusammenarbeit, dem Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi Bayern) für die Förderung von „2DMultiMat“ (Förderkennzeichen: NW-1506-0008), dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die Förderung von „OptiTape“ (Förderkennzeichen: ZF4064612PO8) sowie dem StMWi Bayern sowie der Europäischen Union für die Institutionelle Förderung der NMB.