Als sich im Sommer 2009 vier Partner zusammenfinden, planen sie, das patentierte Ultralitec-Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Hochleistungs-Faserverbund-Bauteile serienreif zu machen. Damit die Spritzgießmaschine die vorgewärmten Halbzeuge in der geforderten Zykluszeit umformen und anspritzen kann, fehlte bisher ein serientaugliches Vorwärmkonzept. Ein Paternoster-Ofen von HK Präzisionstechnik bringt seit Januar 2013 mit einem ungewöhnlichen Temperiersystem Schwung in den Prozess. Die Herstellung großer kubischer 3-D-Teile in Großserien für die Automobilindustrie kann beginnen. Die sollen auch im revolutionären e-mobility Concept Streetscooter eingesetzt werden.
"Mit dem neuen Umluftofen werden die geforderten und in der Automobilbranche üblichen Taktzeiten für die Serienproduktion erreicht", ist sich Andreas Spörrer sicher. Der promovierte Ingenieur ist als Bereichsleiter Kunststoffe der Neue Materialien Bayreuth GmbH (NMB) mitverantwortlich für die Umsetzung des innovativen Ultralitec-Verfahrens in einen industrietauglichen Fertigungsprozess. Mit einer Zykluszeit knapp über einer Minute bewegt man sich schon sehr nahe an den 60 Sekunden-Takten, in denen die Automotive-Branche tickt. "Mit keinem anderen Temperiersystem lassen sich die aus UD-Tapes aufgebauten 3D-Vorformen an allen Stellen gleichmäßig auf bis zu 300° C vor- und durchheizen", weiß Heinrich Ernst, erfahrener Berater von HK in der Kunststoffumformung.
Streetscooter als Innovationstreiber
Unter der Konsortialführung von Technologieentwickler REHAU AG + Co, der das Ultralitec-Verfahren erfunden und patentiert hat, ist NMB mit der Entwicklung des Fertigungsprozesses bis zur Serienreife beauftragt. Des Weiteren ist die Werkzeugbau Karl Krumpholz GmbH & Co. KG in das Projekt eingebunden. Mit dem patentierten Ultralitec-Verfahren werden aus mehrfach gelegten unidirektionalen Tapes (UD-Tapes) aufgebaute dreidimensionale Vorformlinge im Werkzeug konsolidiert und mit einem Spritzgießprozess funktionalisiert. REHAU ist als Mitgesellschafter der Streetscooter GmbH, die das erste Elektrofahrzeug explizit für den Kurzstreckenverkehr, Short Distance Vehicle (SDV), entwickelt hat, jetzt an der schnellen Umsetzung des Verfahrens für den industriellen Produktionsprozess interessiert. Wichtig dafür ist das zuverlässige und sehr gleichmäßige Vorheizen der Halbzeuge auf Verarbeitungstemperatur, damit die Zweiplatten-Großmaschine v-duo von ENGEL mit 25.000 kN Schließkraft die Testteile fertigen kann.
Gefertigt wird auf der in Bayreuth aufgebauten Anlage ein so genanntes Demonstratorteil. Die "Versuchswanne" ist etwa 800 mm lang, 400 mm breit und ebenso hoch. Sie enthält charakteristische Formen später geforderter Funktionsteile wie beispielsweise Rundungen analog einer Reserveradmulde oder steile Flanken analog einer Batteriekiste und ähnliches. "In das Demoteil sind viele Herausforderungen wie Rundungen, enge Radien, Kanten oder Stege aus Spritzguss eingebaut", erklärt Mathias Mühlbacher, der bei NMB im Bereich Kunststoffe für Spritzgießen und Faserverbundkunststoffe verantwortlich ist.
"Der Umluftofen von HK Präzisionstechnik erfüllt die hohen Anforderungen an die reproduzierbar prozessgerechte Aufheizung und Durchwärmung der Halbzeuge ideal", betont Berater Ernst. Und in der Tat revolutioniert das neuartige Temperiersystem der findigen Entwickler aus Oberndorf den wichtigen Erwärmungsprozess von thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Bei einem Fünftel des Energiebedarfs herkömmlicher Infrarot-Durchlauf-Anlagen erwärmt der Umluftofen die Preforms schonend und gleichmäßig auf die Prozesstemperatur, die je nach Material zwischen 200 und 300° Celsius liegt. Sehr geringe, gemessene Temperaturdifferenzen im Halbzeug von weniger als zwei Grad Celsius schaffen die Voraussetzung für eine automobilgerechte Qualität in Bezug auf Mechanik, Schwindung und Verzug.
80 % weniger Energiebedarf für High-Tech-Teile
Mit Glas- oder Kohlenstofffaser verstärkte thermoplastische Halbzeuge werden als Hochleistungs-Werkstoffe in vielen Bereichen eingesetzt, in denen man hohe Steifigkeit und geringes Gewicht bei kurzen Zykluszeiten erreichen muss. "Vor allem im Automobilbau, wo beispielsweise Ersatzradmulden, Sitzschalen aber auch Karosserieteile wie Heckklappen Stoßfänger oder Kotflügel aus Kunststoff gefertigt werden, sind die Qualitätsanforderungen besonders hoch", erklärt Xaver Mayer, geschäftsführender Gesellschafter der HK Präzisionstechnik aus Oberndorf. Bei der Formgebung der Kunststoffe im Heißverfahren ist dabei die gleichmäßige und punktgenaue Erhitzung und Durchwärmung von Halbzeugen ein wichtiges Qualitätskriterium. Mühlbacher erklärt warum: "Sie entscheidet nicht nur über die Prozesssicherheit und Wiederholgenauigkeit, sondern auch über die Güte des Teils und den Erfolg nachfolgender Prozessschritte wie zum Beispiel Klebeverfahren." Die kompakte Bauform des Ofens benötigt deutlich weniger Platz als andere Anlagen. "Außerdem lassen sich die Umluftöfen flexibel direkt in den Gesamtprozess integrieren", so Mayer.
Herkömmliche Temperiersysteme erwärmen die Halbzeuge beispielsweise auf horizontal laufenden Heißluft-Durchlauföfen, wo entsprechende Wärmedüsen die Temperatur ins Teil bringen. Die Werkstücke werden mit einem Strom heißer Luft quasi gefönt. Die dabei entstehenden Luftgeschwindigkeiten von bis zu 20 Meter pro Sekunde sind so hoch, dass der Luftstrom zum Teil die Glasfasern aus dem Halbzeug bläst. "Sie können die Glasfasern anschließend am Boden zusammenkehren", schildert HK Konstruktionsleiter und Mitgesellschafter Horst Scheidt die Situation bei vielen Anwendern der Durchlaufofen- und Infrarottechnik. Darüber hinaus ist der Energiebedarf vieler solcher Anlagen mit 400-900 kW extrem hoch. "Bei solchen kubischen Teilen, wie die, mit denen wir es hier aktuell zu tun haben, geht die IR-Technik sowieso nicht. Es musste also zwingend eine alternative Lösung her", so Scheidt weiter.
Erstmals solch große 3D-Teile aufgeheizt
"Das völlig andere Konzept eines geschlossenen Systems sowie die Paternostertechnik hat uns sofort interessiert", beteuert Andreas Spörrer. In dem Umluftofen nehmen in der Ausführung bei NMB sechs schubladenartige Aufnahmeroste in den Abmessungen 1250 x 2000 mm die großen kubischen Teile auf und befördern sie durch zwei Kammern. Je nach Höhe des Halbzeugs kann der Ofen bis zu 36 Schubladen aufnehmen. "Die Höhe des Teils reduziert die Rostanzahl. Bisher wurde noch niemals ein solch großes 3D-Teil auf diese Art und Weise gleichmäßig vorgeheizt", betont Scheidt.
In der ersten Kammer werden die Preforms rund drei bis sechs Minuten lang hochgeheizt, indem sie durch ein ausgeklügeltes Luftleitsystem von drei Seiten mit heißer Luft umströmt werden. Dazu werden etwa zwei Drittel der Gesamtenergie verwendet. Während dieses Aufheizprozesses werden die Roste dabei Stufe für Stufe, wie in einem Paternoster, nach oben gefahren. Am oberen Punkt der Kammer angekommen, werden die Vorprodukte in die zweite Kammer übergeben, wo im Abwärtsfahren die Restenergie eingebracht, die erreichte Temperatur gehalten und die gewünschte Endtemperatur präzise erreicht wird. Unten angekommen können die exakt auf Prozesstemperatur erwärmten Werkstücke entnommen und der Presse zugeführt werden. Der Gesamtenergiebedarf beträgt nur etwa 90 kW. "Unser Ofen hat einen geringeren Anschlusswert als die Energie, die bei anderen Verfahren als heiße Abwärme in die Luft geblasen wird", bringt es Mayer drastisch auf den Punkt. "Mit dieser Energieeffizienz leisten wir auch einen Beitrag zum aktuellen Thema 'Green Technology' und betreiben aktiven Umweltschutz". Das gleichmäßige Aufheizverfahren ist darüber hinaus äußerst schonend und erhält die mechanischen Eigenschaften der thermoplastischen Faserverbundhalbzeuge.
Entnommen wird das Werkstück vollautomatisiert von einem Roboter, dessen Greifer geheizt ist, damit die Temperatur bis zur Übergabe an die Presse gehalten wird. Im Werkzeug werden die Vorformlinge konsolidiert und gegebenenfalls drapiert, bevor im selben Werkzeug Rippen und Verstärkungen als Funktionalisierungselemente angespritzt werden. Darüber hinaus wird noch ein Rand angespritzt, damit die Teile keine Nacharbeit mehr erfordern.
Qualitätskontrolle und Rückverfolgbarkeit sichergestellt
Die zwei Kammern des neuen Umluftofens werden getrennt voneinander geregelt und überwacht. Dazu gehört auch eine Überwachungs- und Trackingfunktion, die die Verweilzeit eines jeden, mit einem Halbzeug beladenen Rostes erkennt und seinen Fortgang im Ofen minutiös festhält. Das wirkt sich bei einer eventuellen Anlagenstörung positiv aus, denn über ein Notprogramm kann die Temperatur auf ein niedriges Niveau abgesenkt werden. Dadurch erübrigt sich das Leerräumen des Ofens, Ausschusskosten können wesentlich gesenkt werden. Das Programm weiß genau, welcher Rost wie lange im Ofen war. So entsteht nach dem Wiederanfahren keinerlei Materialverlust und die Rückverfolgbarkeit kann für jedes Teil sichergestellt werden. "Ein wichtiger Beitrag zur Qualitätskontrolle", betont Mühlbacher. Schließlich soll die ungewöhnliche Streetscooter-Story von Anfang an zeigen, dass effizienter Leichtbau als Serienfertigung machbar ist.
Brücke zwischen Wirtschaft und Wissenschaft
Als innovativer Entwicklungsdienstleister für neue Werkstoffe und Verfahren agiert die Neue Materialien Bayreuth GmbH als Bindeglied zwischen der Universität Bayreuth, insbesondere der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften, und Unternehmen mit einem werkstofforientierten Produktportfolio. In den anwendungsbezogenen und lösungsorientierten Forschungsvorhaben im Entwicklungsfeld NMB-Universität Bayreuth untersuchen die Experten grundsätzlich Fragestellungen, deren Ergebnisse den Unternehmen einen nachhaltigen Technologievorsprung und somit die Stärkung von Wettbewerbsposition am Markt in Aussicht stellen.
"Mit dem neuen Umluftofen werden die geforderten und in der Automobilbranche üblichen Taktzeiten für die Serienproduktion erreicht", ist sich Andreas Spörrer sicher. Der promovierte Ingenieur ist als Bereichsleiter Kunststoffe der Neue Materialien Bayreuth GmbH (NMB) mitverantwortlich für die Umsetzung des innovativen Ultralitec-Verfahrens in einen industrietauglichen Fertigungsprozess. Mit einer Zykluszeit knapp über einer Minute bewegt man sich schon sehr nahe an den 60 Sekunden-Takten, in denen die Automotive-Branche tickt. "Mit keinem anderen Temperiersystem lassen sich die aus UD-Tapes aufgebauten 3D-Vorformen an allen Stellen gleichmäßig auf bis zu 300° C vor- und durchheizen", weiß Heinrich Ernst, erfahrener Berater von HK in der Kunststoffumformung.
Streetscooter als Innovationstreiber
Unter der Konsortialführung von Technologieentwickler REHAU AG + Co, der das Ultralitec-Verfahren erfunden und patentiert hat, ist NMB mit der Entwicklung des Fertigungsprozesses bis zur Serienreife beauftragt. Des Weiteren ist die Werkzeugbau Karl Krumpholz GmbH & Co. KG in das Projekt eingebunden. Mit dem patentierten Ultralitec-Verfahren werden aus mehrfach gelegten unidirektionalen Tapes (UD-Tapes) aufgebaute dreidimensionale Vorformlinge im Werkzeug konsolidiert und mit einem Spritzgießprozess funktionalisiert. REHAU ist als Mitgesellschafter der Streetscooter GmbH, die das erste Elektrofahrzeug explizit für den Kurzstreckenverkehr, Short Distance Vehicle (SDV), entwickelt hat, jetzt an der schnellen Umsetzung des Verfahrens für den industriellen Produktionsprozess interessiert. Wichtig dafür ist das zuverlässige und sehr gleichmäßige Vorheizen der Halbzeuge auf Verarbeitungstemperatur, damit die Zweiplatten-Großmaschine v-duo von ENGEL mit 25.000 kN Schließkraft die Testteile fertigen kann.
Gefertigt wird auf der in Bayreuth aufgebauten Anlage ein so genanntes Demonstratorteil. Die "Versuchswanne" ist etwa 800 mm lang, 400 mm breit und ebenso hoch. Sie enthält charakteristische Formen später geforderter Funktionsteile wie beispielsweise Rundungen analog einer Reserveradmulde oder steile Flanken analog einer Batteriekiste und ähnliches. "In das Demoteil sind viele Herausforderungen wie Rundungen, enge Radien, Kanten oder Stege aus Spritzguss eingebaut", erklärt Mathias Mühlbacher, der bei NMB im Bereich Kunststoffe für Spritzgießen und Faserverbundkunststoffe verantwortlich ist.
"Der Umluftofen von HK Präzisionstechnik erfüllt die hohen Anforderungen an die reproduzierbar prozessgerechte Aufheizung und Durchwärmung der Halbzeuge ideal", betont Berater Ernst. Und in der Tat revolutioniert das neuartige Temperiersystem der findigen Entwickler aus Oberndorf den wichtigen Erwärmungsprozess von thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Bei einem Fünftel des Energiebedarfs herkömmlicher Infrarot-Durchlauf-Anlagen erwärmt der Umluftofen die Preforms schonend und gleichmäßig auf die Prozesstemperatur, die je nach Material zwischen 200 und 300° Celsius liegt. Sehr geringe, gemessene Temperaturdifferenzen im Halbzeug von weniger als zwei Grad Celsius schaffen die Voraussetzung für eine automobilgerechte Qualität in Bezug auf Mechanik, Schwindung und Verzug.
80 % weniger Energiebedarf für High-Tech-Teile
Mit Glas- oder Kohlenstofffaser verstärkte thermoplastische Halbzeuge werden als Hochleistungs-Werkstoffe in vielen Bereichen eingesetzt, in denen man hohe Steifigkeit und geringes Gewicht bei kurzen Zykluszeiten erreichen muss. "Vor allem im Automobilbau, wo beispielsweise Ersatzradmulden, Sitzschalen aber auch Karosserieteile wie Heckklappen Stoßfänger oder Kotflügel aus Kunststoff gefertigt werden, sind die Qualitätsanforderungen besonders hoch", erklärt Xaver Mayer, geschäftsführender Gesellschafter der HK Präzisionstechnik aus Oberndorf. Bei der Formgebung der Kunststoffe im Heißverfahren ist dabei die gleichmäßige und punktgenaue Erhitzung und Durchwärmung von Halbzeugen ein wichtiges Qualitätskriterium. Mühlbacher erklärt warum: "Sie entscheidet nicht nur über die Prozesssicherheit und Wiederholgenauigkeit, sondern auch über die Güte des Teils und den Erfolg nachfolgender Prozessschritte wie zum Beispiel Klebeverfahren." Die kompakte Bauform des Ofens benötigt deutlich weniger Platz als andere Anlagen. "Außerdem lassen sich die Umluftöfen flexibel direkt in den Gesamtprozess integrieren", so Mayer.
Herkömmliche Temperiersysteme erwärmen die Halbzeuge beispielsweise auf horizontal laufenden Heißluft-Durchlauföfen, wo entsprechende Wärmedüsen die Temperatur ins Teil bringen. Die Werkstücke werden mit einem Strom heißer Luft quasi gefönt. Die dabei entstehenden Luftgeschwindigkeiten von bis zu 20 Meter pro Sekunde sind so hoch, dass der Luftstrom zum Teil die Glasfasern aus dem Halbzeug bläst. "Sie können die Glasfasern anschließend am Boden zusammenkehren", schildert HK Konstruktionsleiter und Mitgesellschafter Horst Scheidt die Situation bei vielen Anwendern der Durchlaufofen- und Infrarottechnik. Darüber hinaus ist der Energiebedarf vieler solcher Anlagen mit 400-900 kW extrem hoch. "Bei solchen kubischen Teilen, wie die, mit denen wir es hier aktuell zu tun haben, geht die IR-Technik sowieso nicht. Es musste also zwingend eine alternative Lösung her", so Scheidt weiter.
Erstmals solch große 3D-Teile aufgeheizt
"Das völlig andere Konzept eines geschlossenen Systems sowie die Paternostertechnik hat uns sofort interessiert", beteuert Andreas Spörrer. In dem Umluftofen nehmen in der Ausführung bei NMB sechs schubladenartige Aufnahmeroste in den Abmessungen 1250 x 2000 mm die großen kubischen Teile auf und befördern sie durch zwei Kammern. Je nach Höhe des Halbzeugs kann der Ofen bis zu 36 Schubladen aufnehmen. "Die Höhe des Teils reduziert die Rostanzahl. Bisher wurde noch niemals ein solch großes 3D-Teil auf diese Art und Weise gleichmäßig vorgeheizt", betont Scheidt.
In der ersten Kammer werden die Preforms rund drei bis sechs Minuten lang hochgeheizt, indem sie durch ein ausgeklügeltes Luftleitsystem von drei Seiten mit heißer Luft umströmt werden. Dazu werden etwa zwei Drittel der Gesamtenergie verwendet. Während dieses Aufheizprozesses werden die Roste dabei Stufe für Stufe, wie in einem Paternoster, nach oben gefahren. Am oberen Punkt der Kammer angekommen, werden die Vorprodukte in die zweite Kammer übergeben, wo im Abwärtsfahren die Restenergie eingebracht, die erreichte Temperatur gehalten und die gewünschte Endtemperatur präzise erreicht wird. Unten angekommen können die exakt auf Prozesstemperatur erwärmten Werkstücke entnommen und der Presse zugeführt werden. Der Gesamtenergiebedarf beträgt nur etwa 90 kW. "Unser Ofen hat einen geringeren Anschlusswert als die Energie, die bei anderen Verfahren als heiße Abwärme in die Luft geblasen wird", bringt es Mayer drastisch auf den Punkt. "Mit dieser Energieeffizienz leisten wir auch einen Beitrag zum aktuellen Thema 'Green Technology' und betreiben aktiven Umweltschutz". Das gleichmäßige Aufheizverfahren ist darüber hinaus äußerst schonend und erhält die mechanischen Eigenschaften der thermoplastischen Faserverbundhalbzeuge.
Entnommen wird das Werkstück vollautomatisiert von einem Roboter, dessen Greifer geheizt ist, damit die Temperatur bis zur Übergabe an die Presse gehalten wird. Im Werkzeug werden die Vorformlinge konsolidiert und gegebenenfalls drapiert, bevor im selben Werkzeug Rippen und Verstärkungen als Funktionalisierungselemente angespritzt werden. Darüber hinaus wird noch ein Rand angespritzt, damit die Teile keine Nacharbeit mehr erfordern.
Qualitätskontrolle und Rückverfolgbarkeit sichergestellt
Die zwei Kammern des neuen Umluftofens werden getrennt voneinander geregelt und überwacht. Dazu gehört auch eine Überwachungs- und Trackingfunktion, die die Verweilzeit eines jeden, mit einem Halbzeug beladenen Rostes erkennt und seinen Fortgang im Ofen minutiös festhält. Das wirkt sich bei einer eventuellen Anlagenstörung positiv aus, denn über ein Notprogramm kann die Temperatur auf ein niedriges Niveau abgesenkt werden. Dadurch erübrigt sich das Leerräumen des Ofens, Ausschusskosten können wesentlich gesenkt werden. Das Programm weiß genau, welcher Rost wie lange im Ofen war. So entsteht nach dem Wiederanfahren keinerlei Materialverlust und die Rückverfolgbarkeit kann für jedes Teil sichergestellt werden. "Ein wichtiger Beitrag zur Qualitätskontrolle", betont Mühlbacher. Schließlich soll die ungewöhnliche Streetscooter-Story von Anfang an zeigen, dass effizienter Leichtbau als Serienfertigung machbar ist.
Brücke zwischen Wirtschaft und Wissenschaft
Als innovativer Entwicklungsdienstleister für neue Werkstoffe und Verfahren agiert die Neue Materialien Bayreuth GmbH als Bindeglied zwischen der Universität Bayreuth, insbesondere der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften, und Unternehmen mit einem werkstofforientierten Produktportfolio. In den anwendungsbezogenen und lösungsorientierten Forschungsvorhaben im Entwicklungsfeld NMB-Universität Bayreuth untersuchen die Experten grundsätzlich Fragestellungen, deren Ergebnisse den Unternehmen einen nachhaltigen Technologievorsprung und somit die Stärkung von Wettbewerbsposition am Markt in Aussicht stellen.
