Future: Leichtbau

Solisten sterben aus…

Die Zeiten der Alleingänge sind beim Abspecken längst passé: Leichtbau-Spezialisten ersetzen heute nicht mehr einen Werkstoff durch einen anderen, sondern kombinieren das Beste aus mehreren Werkstoff-Welten.

07. November 2018
Viele Maschinen- und Anlagenbauer nutzen Hybridtechnik, um wie hier mithilfe eines Technikums neue Märkte zu erobern. Bild: Engel
Viele Maschinen- und Anlagenbauer nutzen Hybridtechnik, um wie hier mithilfe eines Technikums neue Märkte zu erobern. ( Bild: Engel)

Beim idealen Hybridprozess laufen vorne die Materialien hinein und hinten fällt das fertige Bauteil heraus. So stellt sich Dr. Walter Begemann, Projektleiter der VDMA-Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien die Zukunft der Mischbauweise vor. Die mittlerweile fast 200 beteiligten VDMA-Mitgliedsunternehmen arbeiten kräftig an dieser Vision – etwa im Forschungsprojekt ›Modulare Produktionsanlagen für hybride Bauteile‹.

Wie sich die Hybridbauweise bereits heute in die Praxis umsetzen lässt und worauf Einsteiger achten sollten, beschreibt im Detail die neue Studie ›Leichtbau im Maschinen-, Anlagen- und Gerätebau‹ des Fraunhofer-Institutes für Produktionstechnik und Automatisierung IPA aus Stuttgart, an der sich die Arbeitsgemeinschaft beteiligt hat.

So hat beispielsweise die Fibro Läpple Technologie GmbH aus Hassmersheim das Gewicht von Laufwagen für Portalanlagen im Vergleich zur konventionellen Aluminiumbauweise halbiert. Das Erfolgsrezept: eine Sandwich-Kombination von CFK, Aluminium und 3D-Druck. »Es ist das schnellste Linearmotorportal der Welt«, präsentierte Boris Bind, Leiter Forschung und Entwicklung, die Innovation Ende 2016 auf der Tagung ›Maschinenkomponenten leicht gemacht – Neue Funktionalitäten durch Hybridbauweise‹, einer Veranstaltung der Maschinenbau-Institut GmbH aus Frankfurt am Main (VDMA). 

Herausforderung: drei Gramm

Nach zwei Jahren Entwicklung gelang den Schwaben ein Portal, das Bauteile bis 30 Kilogramm mit 10 Metern pro Sekunde transportiert und mit fast dreifacher Erdbeschleunigung in Fahrt bringt. Diese Dynamik ist eine Herausforderung an die Konstruktion: So muss zum Beispiel die z-Achse mit ihren nur fünf Millimeter dünnen Wänden enorm hohe Crashkräfte (maximal 85 Kilonewton) verkraften. Bind: »Diese Aufgabe lässt sich nicht mit einem Werkstoff allein bewältigen.«

Weil außerdem das hitzeempfindliche CFK negativ auf die enorme Wärmeentwicklung der eingesetzten Linearmotoren reagiert, integrierten die Schwaben Aluminiumträger mit guter Wärmeleitfähigkeit. Zum weiteren Verbessern des ›Betriebsklimas‹ entstanden per 3D-Druck außerdem maßgeschneiderte Kunststoff-Kühlkanäle, die für eine Belüftung der Sandwichkonstruktion sorgen. Bewährt hat sich das nach Herstellerangaben schnellste Linearmotorportal der Welt unter anderem in der Automobilindustrie in einer 450 Meter langen Produktionslinie für Kurbelwellen, in der sich die Taktzeit von bisher 41 auf nur 24 Sekunden senken ließ.

Gegenseitige Dämpfung

Auf Tempo kam es auch einer Tochter der Krefelder Siempelkamp Maschinen- und Anlagenbau GmbH bei der Entwicklung eines Antriebssystems für Transferpressenstraßen an. Die Strothmann Machines & Handling GmbH aus Schloß Holte-Stukenbrock plante einen neuen Linearfeederbalken für höhere Taktraten von 14 bis 20 Transfers pro Minute. Weil aber eine klassische Blech-Konstruktion zu Eigenschwingungen geführt hätte, entschied sich Strothmann für Hybridbauweise mit CFK und Metall.

Als ›gemein‹ bezeichnete Dr. Michael Schöler, Leiter Forschung und Entwicklung bei Siempelkamp, die Mitte des fünf Meter langen Feeders, die als Aufnahme für einen Schieber (mit schätzungsweise rund 150 Millimetern) sehr dünn ausfallen muss. Schöler: »Bei der Neukonstruktion des hybriden Feederbalkens ließen wir uns unterstützen von dem Spezialisten Luratec aus Rostock, den uns Airbus empfohlenen hatte.« Das Team optimierte die Konstruktion mit Simulationsläufen, deren Werte es in aufwendigen Messungen auf einem Prüfstand überprüfte und validierte. Trotz der guten Ergebnisse mit dem CFK-Metall-Verbund setzt Dr. Schöler aber langfristig eher auf Hybridlösungen mit klassischen thermoplastischen Kunststoffen, bei denen sich das bewährte Spritzgießverfahren anbietet.

Experte auf diesem Gebiet ist die Engel Austria GmbH aus Schwertberg (Österreich): Der bekannte Hersteller von Spritzgießmaschinen hat seit fünf Jahren in St. Valentin ein eigenes Technologiezentrum für Leichtbau-Composites. Dort entstand ein Bauteil für einen neuen, leichten Pick-and-Place-Roboter, der das eigene Roboterprogramm des Maschinenbauers ergänzt. Peter Egger, Leiter des Zentrums und Vorstandsvorsitzender der neuen VDMA-Arbeitsgemeinschaft ›Hybride Leichtbau Technologien‹: »Durch eine Mischbaubauweise aus Aluminiumguss und thermoplastischen Carbonfaserkunststoff-Tapes ließ sich das Gewicht des Roboterschwenkarms im Vergleich zu einer Variante aus reinem Aluminiumguss um 40 Prozent senken.«

Gewicht von Duro- und Thermoplasten senken

Aber auch das Gewicht von Duro- und Thermoplasten lässt sich mit einem pfiffigen Kniff angeblich ohne Senkung der physikalischen Eigenschaften noch weiter senken. So hat die 3M Deutschland GmbH aus Neuss winzige 20 Mikrometer große Glashohlkügelchen entwickelt, die beispielsweise als Leichtbaufüllstoff in thermoplastischen Kunststoffen dienen. Diese Glass Bubbles werden seit kurzem in der Heckstoßstange des Porsche GT3 RS serienmäßig eingesetzt.

Stolz berichtet Produktmanager Marcel Schwemmer auf der Composite: »Es handelt sich um einen Werkstoffmix aus Polyurethan und Carbonfasern, bei dem sich dank des Einsatzes unserer Glaskugeln das Gewicht um 23 Prozent senken ließ – unter Beibehaltung der Eigenschaften des Vorgängermaterials.« Die Glashohlkugeln kommen statt der sonst üblichen Füllstoffe in den flüssigen Kunststoff, den Spritzgießen oder Reaction Injection Moulding in Form bringt. Schwemmer erläutert: »Form, Konstruktion und Halbzeuge können gleich bleiben, nur die Parameter der Produktionsanlage müssen angepasst werden.« Allerdings ließen sich die Bauteileigenschaften noch weiter verbessern, wenn der Konstrukteur die Form im nächsten Schritt an den Mikrohohlkugel-Kunststoff-Verbund anpasst.

Große Hybridteile schnell produzieren

Trotz aller Unterschiede bei allen Hybridkombinationen gibt es jedoch bei fast allen Projekten einen gemeinsamen Nenner: Gemeinsam geht’s besser. Ein automobiles Netz sitzt direkt neben dem VW-Werk in Wolfsburg: Unter der Federführung des Niedersächsischen Forschungszentrums Fahrzeugtechnik (NFF) der TU Braunschweig arbeiten im Leichtbau-Campus der Open Hybrid Labfactory unter anderem Volkswagen, Thyssenkrupp und viele Hochschulinstitute in Sachen Großserienproduktion zusammen. Der Leichtbau-Campus untersucht, wie sich in einem Warmumformprozess schnell und prozesssicher große Hybridbauteile aus Metall und Faserverbundkunststoff (FVK) fertigen lassen.

Im Detail geht es um eine ›funktionsintegrierte Prozesstechnologie zur Vorkonfektionierung und Bauteilherstellung von FVK-Metall-Hybriden‹ (Projekt Provorplus). Die ersten Ergebnisse klingen optimistisch. Jan Beuscher, Wissenschaftler am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik IWF (TU Braunschweig) erklärt: »Die Kombination unterschiedlicher Materialien in einem frühen Stadium des Herstellprozesses verbessert die Formstabilität sowie Handhabung und beeinflusst das Wärmemanagement positiv.« Mal sehen, welche Materialien demnächst dort hineinlaufen und ob hinten ein fertiges Automobilbauteil herausfällt.

Nikolaus Fecht, Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Erschienen in Ausgabe: 07/2018