Wettbewerbsfähiger Leichtbau durch Industrie 4.0

Geringere Produktionskosten von Faserverbund-Bauteilen lassen sich laut Kai Fischer insbesondere durch einen effizienteren Materialeinsatz erreichen. Während des 29. IKV-Kolloquiums schlägt er dafür die Vernetzung von Werkstoff-, Prozess und Bauteildaten vor.

Wettbewerbsfähiger Leichtbau mit Faserverbundwerkstoffen ist laut Dr.-Ing. Kai Fischer, wissenschaftlicher Direktor am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen und verantwortlich für das Leitthema Leichtbau, nur durch die effizientere Nutzung der eingesetzten Materialien möglich. So sei es in den vergangenen Jahren zwar gelungen, großserientaugliche Prozesse zur Herstellung von FVK-Bauteilen zu entwickeln und einzusetzen, so Fischer während seines Keynotevortrags auf dem 29. IKV-Kolloquium in Aachen, dennoch lägen die Bauteilkosten weiterhin über jenen von Stahl- oder Aluminiumbauteilen.

Die Prozesskosten seien mittlerweile dank automatisierter Verfahren wettbewerbsfähig, wie etwa die sehr kurzen Zykluszeiten von 90 Sekunden für duroplastische und einer Minute für thermoplastische Werkstoffe  belegten, dennoch dominierten die hohen Materialkosten die Produktion in einem Maße, dass Verbundwerkstoffe Akzeptanzprobleme drohten.

Ansätze zur effizienten Materialnutzung

Fischer nannte drei Ansätze, um Material effizienter einzusetzen: Verschnitt reduzieren, lastpfadgerecht auslegen und unterschiedliche Werkstoffe im Sinne des Multimaterialbaus gezielt einsetzen. Zugleich warnte er davor, sich allein auf die Entwicklung günstiger Werkstoffe zu konzentrieren, um die Kosten für FVK-Bauteile zu senken. Dafür sei das Thema Leichtbau mit Verbundwerkstoffen zu komplex, da es nicht nur unterschiedliche Werkstoffe, Bauweisen und aufwendige Fügeverfahren umfasse, sondern sich auch sowohl über Groß- als auch Kleinserienanwendungen mit jeweils anwendungsspezifischen Herstellungsprozessen erstrecke. Alle Schritte der Wertschöpfungskette wechselwirkten miteinander und so liege das Potenzial zu höherer Kosteneffizienz in der richtigen Kombination einzelner Herstellungsschritte.

Einsatz von Industrie-4.0-Techniken

Der Schlüssel, die Komplexität zu beherrschen und somit die Bauteilkosten zu senken, ist laut Fischer der verstärkte Einsatz von Industrie-4.0-Techniken. Material- und Strukturmodelle, Produktionsmittel und Methoden zur Charakterisierung von mechanischen und Prozesseigenschaften müssten miteinander verknüpft werden, um Material optimal und mit geringstmöglichem Ausschuss einzusetzen. Als Beispiel stellte Fischer das Projekt iComposite 4.0 vor, in dem das ans IKV angegliederte AZL gemeinsam mit  Partnern aus Wissenschaft und Industrie eine Prozesskette für die selbstregulierte Serienproduktion von RTM-Strukturbauteilen entwickelt hat. Dabei setzen die Wissenschaftler unter anderem das ausschussarme 3-D-Faserspritzen ein. 

Dieser Prozess produziert wenig Ausschuss, zudem lassen sich Fasern lokal ausrichten. Dennoch unterliegt der Prozess Schwankungen; die lokalen Faserorientierungen und Flächengewichte werden deswegen messtechnisch erfasst. Dosieranlagen und Presshydraulik werden im nächsten Prozessschritt auf Basis der Messparameter so eingestellt, dass Fehler durch lokal angepasste Imprägnierungen korrigiert werden.

Während des 29. IKV-Kolloquiums am 28. Februar und 1. März in Aachen diskutierten etwa 850 Teilnehmer neueste Entwicklungen im Bereich der Kunststofftechnik.