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09.06.2017

Composites energieeffizient und schonend umformen

Kerntemperatur entscheidet über Wirtschaftlichkeit

Für die Heißumformung von flächigen und vorgeformten Composite-Halbzeugen zu Hochleistungs-Bauteilen müssen Umluftöfen thermoplastische Verbundwerkstoffe homogen erwärmen: mit gleicher Temperatur an den Oberflächen und im Kern. Die Temperatur-Toleranzen betragen dabei lediglich +-2 °C. Das ermöglicht auch exakte Ergebnisse bei Hybrid-Halbzeugen (tailored parts).

Für die Heißumformung von flächigen und vorgeformten Composite-Halbzeugen: Umluftöfen können thermoplastische Verbundwerkstoffe homogen, schonend und energiesparend erwärmen (© HK Präzisionstechnik)

Dabei brauchen die Umluftöfen der HK Präzisionstechnik GmbH, Oberndorf, nach Angaben des Unternehmens bis zu 90 Prozent weniger Energie als herkömmliche Verfahren. Den größten Ofen dieser Art liefert der Hersteller an die US-Automobilbranche. „Führende Anwender haben uns die Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit unserer Umluftöfen genauso bestätigt wie ein Energieversorger“, betont Heinrich Ernst, Vertriebsleiter der HK Präzisionstechnik.

Mit dem Umluftofen des Unternehmens gelinge auch die Vortemperierung von vorgeformten Composite-Halbzeugen schonend, gleichmäßig und auf den Punkt genau. Der Paternosterofen erwärme flächige Halbzeuge prozessgerecht und gleichmäßig auf die geforderte Prozesstemperatur, die je nach Material zwischen 200 °C und 250 °C oder sogar bei 300 °C liegen kann. Beispiele für solche Halbzeuge sind glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT) oder Low Weight Reinforced Thermoplastics (LWRT), vorgeformte Pre-Pregs sowie Hybridmaterialien.

Neue Variante für „advanced“ GMT

Neu ist die Variante eines Ofens zur Erwärmung von „advanced“ GMT, ein Halbzeug auf Polyamid-Basis, das mit Karbonfasern verstärkt ist. Die Herausforderung besteht darin, die Halbzeuge unter Stickstoff-Inertisierung bei ca. 280 °C zu durchwärmen. Der Sauerstoffanteil im Ofen muss dazu auf unter zwei Prozent reduziert werden, damit das Material nicht oxidiert. Die erforderliche Stickstoffmenge entzieht die Anlage direkt der Atmosphäre und leitet sie dem Ofen zu.

Bei der Erwärmung mit HK-Temperieröfen sei die Temperatur nicht nur an der Oberfläche gleichmäßig, sondern weise auch im Kern den nahezu gleichen Wert auf. „Und das sogar bei dreidimensionalen Vorformlingen“, versichert Ernst. Dieses gleichmäßige Durchwärmen des Halbzeugs ist wichtig für eine ebenso gleichmäßige Verteilung der Verstärkungsfasern im Bauteil. „Nur so kann die geforderte mechanische Eigenschaft des Bauteils gewährleistet werden.“

Eine homogene Erwärmung ist dabei auch für eine effiziente und dauerhafte Verbindung zwischen lokaler Verstärkung und dem Kunststoff-Composite erforderlich. Gerade für diese maßgeschneiderten Material-Hybrid-Teile (tailored parts), bei denen der Verstärkungsanteil je nach Belastungsprofil des Endprodukts lokal unterschiedlich hoch ist, sei es besonders wichtig, dass alle Vorprodukte schonend erhitzt werden und gleichmäßig durchwärmt sind.

Gleiche Temperatur an Oberfläche und im Kern

„Sehr geringe Temperaturdifferenzen im Halbzeug von nur +-2 °C bei bis zu 2 m breiten Werkstücken ergeben eine völlig neue Qualität“, zitiert Ernst die Aussage eines Kunden. Außerdem gewährleistet es den Fasertransport beziehungsweise das sichere und vollständige Füllen des Werkzeugs. Auch dass Fasern während des Umformvorgangs aufgrund zu geringer Kerntemperaturen brechen oder geschädigt werden, sei bei einem gleichmäßig durchwärmten Vorformling nahezu ausgeschlossen.

Bisher größter Ofen geht in die USA

In einem Umluftofen werden bis zu 36 Aufnahmeroste, die wie Schubladen aussehen, durch zwei Kammern befördert. Sie können, je nach Ausführung, Werkstücke in den Abmessungen 1250 x 1500 oder 2000 mm aufnehmen. Und es geht auch größer: Soeben hat HK Präzisionstechnik den größten Ofen der Firmengeschichte an einen Automobilhersteller in die USA geliefert, der 2300 x 1800 mm große Teile aufnehmen kann.

Die Kammern werden getrennt voneinander geregelt und überwacht. Die von HK Präzisionstechnik eigens programmierte SPS-Steuerung von Siemens enthält auch eine Überwachungs- und Trackingfunktion, die jeden mit einem Halbzeug beladenen Rost codiert und seinen Fortgang im Ofen minutiös festhält. Das Verfahren ist nach Angaben von HK prozesssicher, wiederholgenau und rückverfolgbar. Die Steuerung dokumentiert alle wichtigen Parameter teile- oder chargenbezogen.

Deutlich weniger Energiebedarf

Darüber hinaus arbeitet das HK-Temperiersystem auch viel energieeffizienter als herkömmliche Verfahren. Der Energiebedarf beträgt nur etwa 10–30 % herkömmlicher Anlagen. „Das hat ein unabhängiger Energieversorger eines Anwenders im Produktionsbetrieb gemessen und bestätigt“, sagt Ernst. (kk)

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