Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Zur Reduzierung von Materialkosten werden bei der Herstellung gro\u00dffl\u00e4chiger Faserverbundstrukturen im Faserspritz- und Handlaminierverfahren vorrangig unges\u00e4ttigte Polyesterharze verwendet. Ihr Einsatz stellt bei der Verarbeitung eine starke physiologische Belastung des Arbeitsumfeldes, hervorgerufen durch die Emission von giftigen Styrold\u00e4mpfen und -aerosolen, dar. GFK-verarbeitende Unternehmen sind an das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) gebunden. Der Grenzwert f\u00fcr die zul\u00e4ssige Belastung von Styrol am Arbeitsplatz liegt nach dem BImSchG bei 20 ppm und kann bei offener handwerklicher UP-Verarbeitung, wie z. B. beim Handlaminieren und Faserspritzen, selten eingehalten werden. <\/p>\n
Eine echte Alternative zum Handlaminieren und Faserspritzen stellt das Polyurethan-Composite Spray Moulding-Verfahren (CSM-Verfahren) dar, da es ohne den Einsatz toxischer L\u00f6sungsmittel, wie Styrol, auskommt. Somit kann bei Substitution des Handlaminier- und Faserspritzverfahrens durch das CSM-Verfahren die physiologische Belastung am Arbeitsplatz stark reduziert und die Produktivit\u00e4t der Arbeitskraft gesteigert werden.
\nDar\u00fcber hinaus stellt das automatisierte CSM-Verfahren eine Fertigungsstrategie zur Herstellung hochwertiger und vor allem reproduzierbarer Strukturbauteile dar, die beim Handlaminier- und Faserspritzverfahren nicht gegeben sind.<\/p>\n
Abgesehen von ersten Pilotversuchen durch Bayer Material Science hat sich das Verfahren noch nicht industriell etabliert. Grundlagenuntersuchungen zur technischen Umsetzbarkeit sowie zu den erreichbaren Materialkennwerten wurden in Phase I, im Rahmen des von der DBU gef\u00f6rderten Projektes L\u00f6sungsmittelfreie PU-Mehrkomponenten Spr\u00fchtechnologie, AZ 24730 durchgef\u00fchrt. Die Versuche erfolgten an einem realen Versuchswerkzeug mit geometrischen Schwierigkeitsgraden und zeigen das hohe Potential des Verfahrens hinsichtlich der generellen Abbildegenauigkeit, aber auch Grenzen, wie die Abbildung von scharfen Ecken und Kanten und schmalen Stegen auf<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuf Basis des vorliegenden Kenntnisstandes werden sowohl die Potentiale wie auch Defizite der CSM-Technologie aufgezeigt.
\nF\u00fcr eine Weiterf\u00fchrung und wirtschaftlichen Nutzung dieser innovativen Technologie ist es jedoch erforderlich, den Versuchsstatus zu verlassen und unter realen Verarbeitungsbedingungen die Prozess- und Verfahrensentwicklung weiter voranzutreiben. Hierzu z\u00e4hlen vor allem in Phase II die wesentliche Erh\u00f6hung des Faseranteils im Bauteil sowie die Verbesserung und Optimierung der Faser-Matrix-Haftung zur Erh\u00f6hung der mechanischen Bauteileigenschaften. Es m\u00fcssen geforderte mechanische, optische und akustische Eigenschaften eingestellt, optimiert und \u00fcberpr\u00fcft werden. Hierf\u00fcr muss der gegebene Einfluss von Anlagenkomponenten wie dem Mischkopf und des Schneidwerks genauer analysiert, spezifiziert und optimiert werden. Aussagen zur Wahl einer PUR-kompatiblen Verst\u00e4rkungsfaser mit der auf ihr enthaltenen Schlichte m\u00fcssen getroffen werden. Als Partner fungiert das Institut f\u00fcr Allgemeinen Maschinenbau und Kunststofftechnik der TU Chemnitz, wobei von der Forschungsseite die entsprechende Kapazit\u00e4t und pr\u00fcftechnische Laborausr\u00fcstung zur effektiven Ermittlung und Evaluierung werkstofftechnischer Kennwerte eingebracht wird. Au\u00dferdem sind umfangreiche Spr\u00fchversuche mit einer im Technikum der KraussMaffei Technologies GmbH installierten Laboranlage geplant.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Mit dem Polyurethan- Composite Spray Moulding-Verfahren (CSM-Verfahren) wurde eine echte Alternative zum GfK -Handlaminierverfahren und – Faserspritzen untersucht. Es wurden Grundlagenuntersuchungen zur technischen Umsetzung, zu m\u00f6glichen erreichbaren Materialkennwerten, Werkstoffeigenschaften (Faservolumengehalt, Faserverteilung, Glasanbindung, Festigkeiten, Steifigkeiten) durchgef\u00fchrt. Desweiteren wurden erste Spr\u00fchversuche mit einer Nieder- und Hochdrucktechnologie mit unterschiedlichen Mischungsverh\u00e4ltnissen, Rovings, Trennmitteln, Formwerkzeugen durchgef\u00fchrt. <\/p>\n
Als kritisch zu betrachten sind die bislang nur m\u00e4\u00dfig erzielbaren Festigkeiten und Steifigkeiten. Sie sind um ein Vielfaches geringer als die Kennwerte der ebenfalls gepr\u00fcften handlaminierten und als Referenz dienenden UP-Wirrfaserproben. Grund hierf\u00fcr sind die geringeren Faservolumengehalte. Hierzu besteht noch Entwicklungsbedarf.<\/p>\n
Die bei der Erprobung der CSM-Technologie durchgef\u00fchrten Spr\u00fchversuche fanden an einem realen Versuchswerkzeug mit entsprechenden geometrischen Schwierigkeitsgraden statt. Sie zeigen das hohe Potential des Verfahrens hinsichtlich der generellen Abbildegenauigkeit. <\/p>\n
Aus den Spr\u00fchversuchen konnten erste Grundlagen f\u00fcr die Gestaltung von CSM- Bauteilen, wie die Integration von Krafteinleitungen mit metallischen Inserts in die Bauteilstruktur w\u00e4hrend und nach dem Fertigungsprozess, die fertigungsgerechte Bauteilrandausf\u00fchrung zur optimalen mechanischen Nacharbeitung sowie Aussagen zur fertigungskonformen Bauteilgestaltung im Hinblick auf Entformungs- und Bauteilschr\u00e4gen get\u00e4tigt werden. F\u00fcr das Projekt ergeben sich aus den Erkenntnissen der Vorversuche vielf\u00e4ltige neue Arbeitsschwerpunkte bez\u00fcglich weiterer Optimierungen der Anlagentechnik, im Bereich des Formenbaus, der Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t der Bauteile und deren Funktionalisierung.<\/p>\n
Das vorliegende Forschungsvorhaben soll die praktische Umsetzung einer neuen vollautomatisierten Fertigungstechnologie f\u00fcr gro\u00dffl\u00e4chige verst\u00e4rkte Strukturbauteile auf PUR-Basis erm\u00f6glichen. Hierzu z\u00e4hlen die Optimierung und Anpassung des Werkstoffsystems und der Anlagentechnik an geforderte Bauteileigenschaften, die Analyse des erzielbaren Kennwertprofils, die Konzipierung einer serientauglichen Fertigungsstrategie \u00fcber das Composite Spray Moulding-Verfahren einschlie\u00dflich konkreter Verfahrens- und Steuerungsparameter sowie die applikationsgerechte Spritzkopfmodifikation.<\/p>\n
Zusammengefasst ergeben sich folgende \u00f6kologische, wirtschaftliche sowie produkt- und verfahrens-spezifischen Ziele:<\/p>\n
Umwelt
\n \tUmweltentlastung durch Styrol- und l\u00f6sungsmittelfreie Verarbeitung,
\n \tkein Einsatz von Aceton
\n \tVerbesserung des Arbeitsumfelds (Eliminierung toxischer D\u00e4mpfe, Einschr\u00e4nkung gesundheitssch\u00e4digender Faktoren)
\n \tSenkung des Energiebedarfs und Verk\u00fcrzung des gesamten Fertigungszyklus. (Reduzierung langer Reaktions- und Abl\u00fcftzeiten, vereinfachte Entformung)
\n \tSubstitution von Trennmitteln durch den Einsatz l\u00f6semittelfreier Beschichtungssysteme (IMC)
\n \tInnovative Anlagentechnik mit optimierten Eigenschaften bez\u00fcglich Overspray
\n \tkein Einsatz von Aceton als Sp\u00fclmittel bei einer Hochdruckanlage notwendig (automatische Reinigung durch Reinigungskolben)<\/p>\n
Wirtschaftlichkeit
\n \tSubstitution des Handlaminier-Verfahrens, Reduzierung manueller Arbeitsanteile, Erh\u00f6hung des Automatisierungsgrades f\u00fcr einen h\u00f6heren Teiledurchsatz, Bindung von Fertigungskapazit\u00e4t im Inland
\n \tSicherung einer besseren Bauteilqualit\u00e4t bei hoher Reproduzierbarkeit im automatisierten Prozess (enge Toleranzen)
\n \tSchnelle, flexible und kosteng\u00fcnstige Bauteilherstellung durch Verwendung offener Formwerkzeuge (Senkung der Betriebs- und Investitionskosten Kostenvorteil f\u00fcr das Unternehmen Preisvorteil f\u00fcr den Kunden resultierender Marktvorteil)<\/p>\n
Produkt und Verfahren
\n \tvariabler, applikationsgerechter Sandwichaufbau \u00fcber Variation der Verst\u00e4rkungsfasern (Menge\/ L\u00e4nge\/ Feinheit, perspektivisch auch Art), gesch\u00e4umte Schicht, Oberfl\u00e4chenfinish\/ In-mould-Coating
\n \tZuordnung von Kennwertprofilen (z:B. Festigkeitswerte, W\u00e4rme- u. Schalld\u00e4mmung), Ableitung von optimierten Verfahrensparametern
\n \tAnalyse von Einsatzm\u00f6glichkeiten und -grenzen f\u00fcr h\u00f6her belastete Bauteilstrukturen (Applikation Wohnmobil Dachspoiler)
\n \tanforderungsgerechte, flexible Bauteilauslegung
\n \tUmsetzung von Referenzbauteilen mit Belastungsprofil, Zuordnung von Steuerungsparametern
\n \tWerkzeugentwicklung (z.B. Spritzkopfmodifikation) und Formenbau
\n \tMultifunktionale Bauteile mit Inline-Fertigungskonzept (Oberfl\u00e4che, Struktur, Schall- und Brandschutz etc.)<\/p>\n
Die gesetzten Ziele des Vorhabens wurden erf\u00fcllt und der Arbeits- und Zeitplan bzw. die Kostenkalkulation wurde eingehalten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Nemo Netzwerk (Nertzwerkmanagement Ost)- Zellulare Metallische Werkstoffe (ZMW) 18.12.2009; Vorstellung Projekt und Pr\u00e4sentation Technologie – 11. Netzwerkberatung 7 Firmen anwesend<\/p>\n
\tFraunhofer Institut (IWU) Chemnitz 04.02.2010; Vorstellung Projekt und Pr\u00e4sentation Technologie<\/p>\n
\tEuroLite N\u00fcrnberg 08.-10.06.2010; Stand- Vorstellung Projekt + Fa. und Pr\u00e4sentation Technologie<\/p>\n
\t17. Innovationstag Mittelstand des BMWi 17.06.2010; Stand- Vorstellung Projekt, Fa. und Pr\u00e4sentation Technologie- Begr\u00fc\u00dfung Herrn Thierse am Stand- Foto<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im angestrebten Forschungsprojekt sollten die gewonnenen Parameter und Einstellungen in einer praktischen Umsetzung m\u00fcnden. Ausgehend von der Anpassung und Erweiterung vorhandener Anlagenkomponenten, soll der finale Aufbau sowie die Inbetriebnahme der kompletten CSM-Fertigungszelle erfolgen.
\nBegleitend erfolgten Spr\u00fchversuche an einer realen Bauteilstruktur, an der Aspekte wie Krafteinleitungskonzepte, Oberfl\u00e4chengestaltung und akustische Funktionalisierung abgebildet werden, um anschlie\u00dfend vergleichende Untersuchungen am laminierten Referenzbauteil im Strukturpr\u00fcfstand durchzuf\u00fchren.
\nUmfangreicher Forschungsbedarf ergibt sich hinsichtlich erzielbarer Bauteileigenschaften f\u00fcr konkrete Applikationen, wie der anforderungsgerechten Bauteilauslegung bezogen auf die Art und Qualit\u00e4t von Krafteinleitungskonzepten in die Bauteilstruktur. Ebenfalls existieren zum gegenw\u00e4rtigen Zeitpunkt auch keine Aussagen zu integrierbaren Funktionen wie der D\u00e4mmung von K\u00f6rperschall, zum Oberfl\u00e4chenverhalten, Auftrag von Brandschutzschichten oder der Diffusionsdichtheit von CSM-Bauteilen. <\/p>\n
Erste Ans\u00e4tze f\u00fcr eine analytische anforderungsgerechte Bauteilauslegung und -gestaltung m\u00fcssen weiter untersucht und verifiziert werden.<\/p>\n
Mit dem Projekt werden sowohl generelle Grundlagen f\u00fcr die industrielle Einf\u00fchrung des Verfahrens und definierte hinterlegte Aussagen f\u00fcr funktionsintegrierende Applikationen geschaffen, jedoch werden sich umfangreiche Investitionen sowie weitere Forschungsarbeiten auch im Anschluss an das Projekt mit Sicherheit ergeben. Dies betrifft z.B.:
\n \tkonkrete Verfahrensparameter f\u00fcr weitere Erzeugnisse,
\n \tAusbau des Erzeugnisspektrums, welches \u00fcber CSM abgedeckt werden kann
\n \tEinbindung von Inserts und Verarbeitung weiterer Verst\u00e4rkungsfasertypen
\n \tVersuche zu Langfaserapplikationen u.v.m.<\/p>\n
Neben den bisher dargestellten Spr\u00fchversuchen wurden weiterf\u00fchrende erste Voruntersuchungen zur Bauteilbeschichtung durchgef\u00fchrt. Hierzu wurden unterschiedliche Verfahren wie Gelcoats und IMC-Systeme (sowohl L\u00f6semittelfrei als auch auf L\u00f6semittelbasis) getestet.<\/p>\n
Ein IMC der auf L\u00f6sungsmittelbasis hat zu guten Ergebnissen gef\u00fchrt. Es konnten damit hochgl\u00e4nzende Teile realisiert werden. Teilweise konnten auch Trennmittel substituiert werden, da dieses IMC-System selbstrennende Eigenschaften aufweist. Es ist aber nicht Ziel mit l\u00f6sungsmittelhaltigen Farben zu arbeiten.
\nVersuche mit IMC-Systemen auf Wasserbasis (des derzeitigen Lieferanten) zeigten keine den Bauteilanforderungen gerecht werdende Ergebnisse. Es wurden keine deckenden Beschichtungen erzielt und der Glanzgrad war unzureichend. Ein weiteres l\u00f6semittelfreies IMC Produkt einer anderen Firma (eine Neuentwicklung direkt f\u00fcr die PUR-Verarbeitung) befindet sich derzeit in der Entwicklung und wird f\u00fcr weiterf\u00fchrende intensive Untersuchungen zur Verf\u00fcgung stehen. Dabei soll auch die gleichzeitige Trennwirkung (Einsparung des Trennmittels) im Vordergrund stehen. <\/p>\n
Temperierte Werkzeuge sind erforderlich um eine gute Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t und kurze Zykluszeiten zu erreichen. Die Abluftzeit w\u00fcrde sich durch temperierte Werkzeuge verk\u00fcrzen. F\u00fcr eine Serienproduktion sind Werkzeuge aus Aluminium\/Stahl g\u00fcnstig, um ein reibungsfreies Funktionieren des IMCs zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n
Durch die Verdunstungsw\u00e4rme und die dabei entstehende Hygroskopie kommt es in Bereichen von Radien und Kanten zum Aufsch\u00e4umen des PUR-Werkstoffes. Hier ist es erforderlich durch Trocknungsanlagen sowohl in der Spr\u00fchkammer als auch in den Leitungen die Luftfeuchte m\u00f6glichst gering zu halten.<\/p>\n
Die Versuche haben gezeigt, dass f\u00fcr ein diskontinuierliches Verfahren im Bereich Multitec\/FCS Niederdruckanlagen aus technischer sowie aus \u00f6konomischer Sicht nicht erfolgversprechend sind. Sowohl dynamische als auch statische Mischk\u00f6pfe sind st\u00f6ranf\u00e4llig insbesondere im Bezug auf Verstopfungen. Auch der Wechsel von Aceton zu Ethanol brachte keine Besserung der Reinigungsergebnisse im Bereich Mischkopfd\u00fcsen und R\u00fchrwerk. \u00d6kologisch, aber auch \u00f6konomisch gesehen ist das Sp\u00fclen nicht praktikabel denn sie bringen hohen Zeit- und Materialeinsatz mit sich. Zudem kommt es trotz Sp\u00fclen zu Verschmutzungen diese haben wiederum Einfluss auf das Spr\u00fchbild in Form von Reflexionen des Spr\u00fchnebels auf dem Bauteil. Durch st\u00e4ndiges Reinigen des Mischkopfes bei einer ND Anlage entstehen hohe Abfallkosten f\u00fcr sch\u00e4tzungsweise 25 bis zu 40t Material pro Jahr. Damit leidet die Umweltbilanz des Verfahrens unter diesem Gesichtspunkt ebenfalls.
\nDer Vorteil bei Hochdruckanlagen liegt in ihrem einfacheren Aufbau und ihrer besseren Funktionalit\u00e4t im
\nBereich des kontinuierlichen Arbeitens.
\nEine gute Homogenit\u00e4t des PUR-Materials ist f\u00fcr die mechanischen Eigenschaften des Polyurethans entscheidend und konnte bei Niederdruckanlagen nur bedingt umgesetzt werden. Der Einsatz von statischen Mischern beeinflusste die Homogenit\u00e4t nicht zufriedenstellend. Es traten durch nicht vermischte Komponenten vereinzelt Temperaturspitzen auf die sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch den Verzug des Endproduktes im negativen Bereich beeinflussen. Die Ergebnisse der Hochdruckanlage waren auch in diesem Punkt deutlich besser.
\nDie Vorteile der Hochdruckanlage \u00fcberwiegen denen der Niederdruckanlage deutlich. Es sind keine extra Reinigungsg\u00e4nge notwendig und hohe geometrische Schwierigkeitsgrade wie schmale Stege herstellbar. Auf Grund von im Vergleich zur Niederdruckanlage h\u00f6heren Austragsleistung ist eine Zykluszeitverk\u00fcrzung zu erreichen. Nachteilig im Vergleich zur Niederdrucktechnik ist der relativ hohe Anschaffungspreis.
\nIm Ergebnis der vorangegangenen umfangreichen Versuchen und Auswertungen wird durch die Fa. L\u00e4tzsch eine Prototypanlage angeschafft und steht ab Ende 2010 f\u00fcr weitere Untersuchungen in Kitzscher zur Verf\u00fcgung. Die Fa. L\u00e4tzsch investiert in die Anlagentechnik ca. 1 Mio. \u0080.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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