JEC World 2019 - die Titelstory Leichtbau-Höhenflüge im Pariser Frühlingswind

Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Peter Königsreuther

Die JEC World ist die Leitmesse für alles, was mit faserverstärkten Kunststoffteilen zu tun hat. In Paris präsentieren vom 12. bis 14. März über 1300 Aussteller wieder ihre Neuheiten. Kein Wunder, dass die Branche boomt, denn nur mit ultraleichten und hybriden Bauteilen lassen sich viele gesteckte Umweltziele erreichen.

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Wer hoch integrierte, komplett automatisierte Anlagen, wie etwa diese Fertigungszelle für Compositeteile sucht, dem sei der Gang zum Engel-Stand geraten.
Wer hoch integrierte, komplett automatisierte Anlagen, wie etwa diese Fertigungszelle für Compositeteile sucht, dem sei der Gang zum Engel-Stand geraten.
(Bild: Engel)

Gewicht runter! Das ist immer noch das beherrschende Credo und der stärkste Hebel, wenn es im die Umsetzung der Ziele in der E-Mobilität, dem ressourcenschonenden Flugzeugbetrieb oder um größere und damit leistungsstärkere Offshore-Windkraftanlagen geht.

Und momentan kann nichts die von der Politik geforderten Maßnahmen, wie die Reduktion der CO2-Emissionen oder die Schonung fossiler Brennstoffe, so sicher umsetzen wie der Leicht- und Hybridbau mit duromeren oder thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen (FVK). So funktioniert die weitgehende Substitution klassischer Metalle mit leichten und dennoch hochstabilen Bauteilen oder einem Mix aus FVK mit Leichtmetallen wie Aluminium oder Magnesium.

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Trend zur Thermoplastmatrix

Sind die klassischen FVK in der Regel aus einem duromeren Harz als Matrix und entsprechenden Verstärkungsfasern aufgebaut, so kann in den letzten Jahren ein Trend hin zu thermoplastischen Matrixwerkstoffen erkannt werden – eine Tendenz, die auch die Aussteller in Paris mit vielen Exponaten wieder bestätigen. Denn thermoplastische Composites sind einfacher zu recyceln als die chemisch vernetzten Duromermatrix-Typen, weil man sie wieder schmelzen und erneut umformen kann. Denn Rückkehr in den Materialkreislauf heißt das Nachhaltigkeitsprinzip, dem sich jetzt viele Spezialisten stellen müssen. Außerdem sind thermoplastische FVK in Serie wirtschaftlicher zu verarbeiten und sparen Prozessschritte ein.

Lanxess etwa gehört zu den JEC-World-Ausstellern, die sowohl Fasern als auch Matrixkunststoffe anbieten. Speziell im Polyamidsektor hat sich das Unternehmen mit dem thermoplastischen Hightechpolymer Durethan (PA 6 und PA 66), das jüngst 65 Jahre alt geworden ist, einen Namen gemacht. Ein Material das sowohl glas- als auch carbonfaserverstärkt angeboten wird. Durethan fungiert außerdem als Matrixsystem für die endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbundhalbzeuge der Produktreihe Tepex, die von der Lanxess-Tochtergesellschaft Bond-Laminates produziert werden. Sie gehören zu den Enablern einer Großserienfertigung von Leichtbauteilen für den Automobilbau – einer Grundvoraussetzung dafür, dass sich der Leichtbau mit FVK überhaupt bezahlbar umsetzen lässt, damit die ressourcenschonenden Neuprodukte auch der breiten Öffentlichkeit zugänglich sind, um ihre Wirkung zu entfalten. Prädestiniert ist das Material für Bauteile wie Frontends, Türmodulträger und Unterbodenverkleidungen.

Kampf dem Preisdruck

Geht es um großflächige Compositeteile, wie um Rotoren von Windkraftanlagen oder Flugzeugteile sowie Komponenten für Bus und Bahn, so setzen die Hersteller auf eine Art Mischbauweise aus FVK-Schichten, die sich um einen stabilen Leichtbaukern schmiegen. So soll trotz des Einsatzes von bereits leichten Werkstoffen bei Großteilen weiteres Gewicht gespart werden und dennoch sollen dabei enorm stabile Komponenten entstehen. Auch in dieser Hinsicht gibt es Neues.

So hat Covestro Ende Januar verkündet, mit dem Unternehmen Econcore N. V. sein technisches Know-how zu bündeln, um bei Polycarbonat-Wabenkernen (PC-Honeycombs) die FST-Eigenschaften (Fire, Smoke und Toxicitiy) im Brandfall zu optimieren. Außerdem sollen noch leichtere Verbundsysteme aus der Kooperation hervorgehen.

Das übergeordnete Ziel ist es, Sandwichpaneele zu entwickeln, die sowohl leichter und auch günstiger sind als herkömmliche Verbundwerkstoffe und dennoch die technischen Voraussetzungen für die typischen Anwendungen erfüllen, so Covestro. Aufgrund seiner komplett integrierten, wirtschaftssteigernden High-Speed-Produktion, bei der Polycarbonat oder auch andere Thermoplaste direkt in eine Wabenstruktur umgeformt und die Sandwichschichten unmittelbar auf den Kern laminiert werden können, offeriere das von Econcore entwickelte sowie patentierte Verfahren attraktive Kostenvorteile.

Recycling rückt in den Fokus

Thermhex ist auch ein JEC-Protagonist, der sich mit Honeycombs beschäftigt. Die Domäne sind thermoplastische Wabenstrukturen aus recyceltem PET (rPET) und rPP (recyceltes Polypropylen). Mit dem rPET-Wabenkern überlässt Thermhex den Anwendern nun die Wahl, außer Qualitätskriterien verstärkt auch Umweltaspekte in ihre Kaufentscheidung einfließen zu lassen. Denn der CO2-Fußabdruck soll mit dem neuen Material noch eine oder gar mehrere Nummern kleiner werden, wie Thermhex verspricht. Um das zu unterstreichen, hat Thermhex seinen Honeycombs eine grünliche Farbe verpasst.

Effektiver Leichtbau ist schön und gut, aber die Anwender und Hersteller müssen heute auch in die Zukunft schauen und an einen geschlossenen Materialkreislauf denken, wenn man umweltbewusst agieren will. Viele klassische Compositeteile bleiben bei diesem „Kreislauf“ noch auf der Strecke. Die meisten ausgedienten FVK mit Duromermatrix nämlich landen in der Müllverbrennung oder in den Öfen der Zementindustrie. Ressourcensparen geht bei Composites aber auch auf anderem Weg: Der Hightechwerkstoff CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) ist zwar stabil, doch die Carbonfasern sind vergleichsweise teuer in der Herstellung. Über 30 % der hergestellten Carbonfasern, heißt es von Experten, landen als Abfall auf der Deponie.

Der JEC-Aussteller Zoltek bietet deshalb sowohl frische Faserware an als auch Rezyklate, die sich bei anspruchsvollen Anwendungen in der Automobilindustrie oder der Windkraft nicht verstecken müssen, heißt es. Zoltek will damit die Stärke der wertvollen Carbonfasern mit einem deutlichen und zukunftsweisenden Nachhaltigkeitsaspekt verknüpfen. Nicht zuletzt sind die wiederverwendeten Fasern günstiger.

Automatisiert ist günstiger

So hochwertig oder nachhaltig ein Werkstoff oder die Kombination aus Materialien auch ist, nichts ist erreicht, wenn es keine Systeme und Anlagen samt Prozess-Know-how zu deren wirtschaftlicher Ver- und Bearbeitung gibt. Kollege Roboter spielt deshalb auch bei der Composite- und Faserverarbeitung eine wichtige Rolle.

Roth Composites stellt in Paris deshalb in Halle 5 eine roboterunterstützte Filamentwickelmaschine ins JEC-Rampenlicht. Bei diesem Roth-System wird das Verlegeauge, das zur Fadenführung der Wicklung dient, mit einem 6-Achs-Roboter exakt gesteuert bewegt.

Die Anlagen eignen sich laut Roth besonders für die Entwicklung und die Kleinserienfertigung von Produkten für Leichtbauanwendungen, womit auch diese wirtschaftlicher umgesetzt werden als mit anderen Systemen oder von Hand. Denn außer dem Roboter sind die Imprägnierstation, der Faserabspulautomat und die Verlegeeinrichtung mit dabei.

Maschinen- und prozesstechnisch geht Krauss-Maffei das Thema thermoplastische Compositeherstellung in Halle 6 an. Denn die erfolgreiche Kombination aus „Fiberform-Verfahren“ und Wendeplattentechnik für das Mehrkomponenten-Spritzgießen zeichne eine besondere Anwendung aus: eine Mittelarmlehne für den Kfz-Innenraum, die in der „Planet Area Automotive“ der JEC World zu sehen sein wird. „Durch diese Kombination lassen sich ganz neue optische und haptische Bauteileigenschaften von thermoplastischen Composites in einem Prozessschritt erreichen“, erklärt dazu Dr. Mesut Cetin, Gruppenleiter Produktmanagement der Krauss-Maffei Automation. So überzeuge das Exponat etwa mit seiner TPE-Komponente (thermoplastisches Elastomer), die eine besonders weiche und optisch ansprechende Oberfläche der Funktions- und Sichtteile ins Spiel bringt.

Der Einsatz eines Organoblechs führt laut Cetin zu einer höheren Steifigkeit und Festigkeit des Bauteils. Dadurch könnten die Versteifungsrippen und das Bauteil selbst dünner werden als üblich. Das rechnet sich, denn das bedeutet 20 % Gewicht gespart und 15 % geringere Kosten.

Mit dem LFI-Verfahren (Long-Fiber-Injection) präsentiert Krauss-Maffei außerdem eine weitere, bereits in der Seriefertigung etablierte Idee für den faserverstärkten Leichtbau. Das LFI-Verfahren sei die Wahl, wenn es um großflächige, komplexe und zugleich dünnwandige Bauteile gehe. Typische Endanwendungen sind zum Beispiel Abdeckungen für Lkw, Nutzfahrzeuge und Landmaschinen. Der JEC-Aussteller wird im Rahmen dessen eine gewichtsreduzierte Landmaschinenabdeckung präsentieren.

Großserientauglicher Prozess

Auch Engel präsentiert in Halle 5 mit „Organomelt“ ein System zur Verarbeitung thermoplastischer Composites, wie Organobleche und UD-Tapes (Unidirectional Tapes, das sind Verstärkungsmatten, in denen die Fasern nur in eine Richtung verlaufen). Das Verfahren ist großserientauglich und deshalb für Autobauer besonders attraktiv.

Damit, heißt es, lassen sich beispielsweise Versteifungsrippen oder Montageelemente unmittelbar nach dem Umformen mit einem Thermoplast aus der gleichen Werkstoffgruppe des Matrixmaterials anspritzen, wobei das Element mit dem Grundmaterial sozusagen verschweißt. Das bringe nicht nur einen sehr effizienten und vollständig automatisierten Fertigungsprozess ins Spiel, sondern leistet darüber hinaus einen Beitrag zur Circular Economy.

„Der konsequent thermoplastische Ansatz, auf den auch wir setzen, vereinfacht das spätere Recycling der Bauteile“, erläutert Christian Wolfsberger, Business Development Manager Composite Technologies von Engel. Das Geheimnis um das Potenzial dieser Technologie will der JEC-Aussteller aber erst während der drei Messetage anhand von Musterteile lüften. Anspruchsvolle Strukturteile werden laut Wolfsberger bereits in den USA in Großserie produziert. Wegen des hohen Organoblechanteils zeichneten sich diese Bauteile durch ein besonders geringes Gewicht aus.

Schnittiges und Verbindliches

Hat man nun endlich das Teil aus der Press- oder Gießform genommen, ist die Sache mit den effizienten Prozessen noch nicht vorbei: Speziell bei FVK mit Duromermatrix müssen meist noch Montagelöcher eingearbeitet und der herstellungsbedingte Überstand am Teilerand entfernt werden. Das klappt per Wasserstrahlschneiden oder auch mit dem Laser. Doch setzen die meisten immer noch auf die klassische mechanische Zerspanung in staubgesicherten Bearbeitungszentren.

Ein Aussteller in Halle 6, der dafür die richtigen Fräswerkzeuge hat, ist Hufschmied Zerspanungstechnik. Seine Produktreihe Hexacut Eco hat, wie es heißt, perfekt auf die Bearbeitung von CFK und GFK abgestimmte Schneidgeometrien samt Diamantbeschichtung. So fräse es sich schnell und delaminationsfrei sowohl im Schrupp- als auch Schlichtmodus durch das Leichtbauteil. Im Vergleich zu anderen spare das rund 40 % der üblichen Prozesskosten.

Ist das FVK-Teil beschnitten, muss man sich noch Gedanken darüber machen, wie es an anderen Bauteilen befestigt werden kann. Dazu braucht es Gewinde oder Clipse im Bauteil. KVT-Fastening ist ein Aussteller in Halle 5, der mit MM-W (Multimaterial-Welding) eine schnelle Methode bietet, die thermoplastische Befestigungselemente in Composites per Ultraschall einbringt. Dabei werden diese weich, fließen und sitzen nach ihrer Abkühlung formschlüssig und absolut fest im FVK.

Selber sehen macht klug

Mit Blick auf die geschilderten Innovationen, vor allem in puncto Recycling, kann man die Warnung einer römischen Unkenschar, sich vor den Iden des März zu fürchten, getrost ignorieren. Trotz aller heute kolportierten Weltuntergangsprognosen aller Art: Was in Rom galt, gilt in Paris nicht. Schon gar nicht in Sachen ressourcenschonender Materialentwicklungen und kommender nachhaltiger FVK-Bauteile. Beschnuppern wir also die Blüten der Innovationskräfte auf den diversen Feldern der (Composite)-Experten und machen wir uns ein eigenes Bild von der Zukunft. MM

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