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Neue Technologie Leichtbauteile auch in kleineren Mengen rentabel fertigen

| Redakteur: Beate Christmann

Leichtbau bedeutet für Unternehmen bisher vor allem eines: große Investitionen. Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, durch das Leichtbauteile schneller, energieeffizienter und wirtschaftlicher zu produzieren sein sollen: unter Vakuum mit Infrarotbestrahlung. Vor allem kleinere und mittelgroße Unternehmen sollen profitieren.

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Kohlenstofffasern und erhitzter Kunststoff verbinden sich unter Druck zu einer homogenen CFK-Platte. Mit Infrarotstrahlung unter Vakuum, wie hier im Bild in der Prototypenanlage am Fraunhofer-ICT, geht das schnell und energieeffizient.
Kohlenstofffasern und erhitzter Kunststoff verbinden sich unter Druck zu einer homogenen CFK-Platte. Mit Infrarotstrahlung unter Vakuum, wie hier im Bild in der Prototypenanlage am Fraunhofer-ICT, geht das schnell und energieeffizient.
(Bild: Fraunhofer-ICT )

Der Leichtbau macht es der produzierenden Industrie nicht immer leicht: Zum Teil hohe Investitionen für Pressen und andere Großanlagen überschreiten das Budget insbesondere von kleineren und mittelgroßen Unternehmen. Zudem machen die enormen Anschaffungs- und Produktionskosten geringere Fertigungsmengen selten rentabel.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal haben nun ein Verfahren zum Konsolidieren von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) entwickelt, das schneller und energieeffizienter als die bekannten sein und sich auch für kleinere Stückzahlen sowie Hochtemperaturkunststoffe eignen soll: Sie bestrahlen die CFK unter Vakuum direkt mit Infrarot.

In bisherigen Verfahren zur CFK-Fertigung wird aufgeschmolzener Kunststoff zwischen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff oder Glas gepresst. Der Kunststoff wird dabei nur indirekt über die massiven Presswerkzeuge erhitzt. Die Werkzeuge müssen bewegt, bei variothermer Prozessführung zyklisch aufgeheizt und wieder abgekühlt werden, was einem energie- und zeitintensiven Fertigungsprozess entspricht.

Erhitzen unter Vakuum mit Infrarot

Im neuen Verfahren des ICT werden die CFK direkt unter Vakuum mit Infrarotstrahlung erhitzt. Die Energie wirkt dadurch sofort dort, wo sie gebraucht wird. „Um CFK zu erhitzen eignen sich bei unserem Ansatz aber alle elektromagnetischen Strahlen, also auch Mikrowellenstrahlen“, ergänzt Sebastian Baumgärtner, Maschinenbauingenieur am ICT. Die Verarbeitung im Vakuum schone das Material. Der Kunststoff oxidiere nicht wie in offenen Verfahren. Eingeschlossene Luft und mögliche Abgase würden abgesaugt.

Für die Werkzeugwand fanden die Forscher ein Material, das die Infrarotstrahlung im gewünschten Wellenlängenbereich durchlässt und gleichzeitig fast keine eigene Wärmedehnung aufweist. Der Kunststoff erwärmt sich sofort nach Anschalten der Infrarotstrahler. Wie viel Energie genau eingespart werden kann, können die Wissenschaftler aufgrund fehlender exakter Vergleichszahlen jedoch noch nicht sagen.

Sparsam in Sachen Energie, Kosten und Verbrauchsmaterialien

Das neue Verfahren soll Energie, Kosten und Verbrauchsmaterialien sparen und damit sowohl für Groß- als auch für Kleinserien geeignet sein. Zudem ließe sich schneller fertigen. Üblicherweise dauern vakuumbasierte variotherme Fertigungsprozesse je nach Dicke des Bauteils zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden. Mit dem neuen Ansatz soll dies unter 60 Sekunden möglich sein. Die Anlage passt in einen normalen Fertigungsbereich, da der Ober- sowie Unterbau im Gegensatz zu großen Pressen wegfällt. „Es profitieren insbesondere kleinere und mittelgroße Unternehmen, die sich keine teure Anlagentechnik leisten wollen“, präzisiert Baumgärtner.

Auch die Herausforderung, verzugsfreie Platten zu produzieren, soll die neue Anlage bewältigen können. „Wir heizen und kühlen symmetrisch, nutzen eine wärmedehnungsfreie Werkzeugwand und arbeiten mit relativ geringem Prozessdruck, um den ungewollten Quetschfluss zu vermeiden“, erklärt Baumgärtner. Durch die glatte Oberfläche der Werkzeugwand entstehe zudem eine nahezu spiegelnde CFK-Plattenoberfläche, was im finalen Bauteil insbesondere für Anwendungen im Sichtbereich sehr von Vorteil sei.

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