Projekt 23980/01

Umwelt- und Ressourcen schonende Optimierung des Materialeinsatzes bei der Flächengebildeerzeugung

Projektträger

SGL KÜMPERS GmbH & Co. KG
Basilikastr. 22-30
48429 Rheine
Telefon: 05971/861-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Lösungsansatz basiert auf einer Erfindung, die im Rahmen des geplanten Vorhabens realisiert werden soll. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Verfahren, positionsoptimiert nur dort hochwertiges Filament- bzw. Garngut eingesetzt wird, wo das später konfektionierte Bauteil im hergestellten Flächengebilde liegen wird. Außerhalb der vom Bauteil liegenden Flächengebilde-Bereiche wird ein Filament, Garn oder anderes Gebilde ähnlicher Geometrie und Verarbeitbarkeit wie das Hauptmaterial eingesetzt. Allerdings wird dort ein Faser-/Filamentrohstoff gewählt, der signifikant umwelt- und ressourcenschonender bereitgestellt werden kann, als das Hauptmaterial.
Im Bereich der Compositeherstellung - insbesondere bei der Verwendung von Carbonfasern - stellen die Materialkosten einen erheblichen Kostenanteil dar. Wenn bedacht wird, dass im fertigen Bauteil - bedingt durch Zuschnitt, Kontur und Lagenorientierung - in Extremfällen nur 20 -30% des ursprünglich hergestellten Flächengebildes oder Preforms genutzt werden, kommt einer Reduzierung des eingesetzten hoch-wertigen Materials auf die Nettokontur besondere Bedeutung zu.
Durch den Erfolg der Verfahrensentwicklung darf eine deutliche Verbesserung der wirtschaftlichen Chancen von Leichtbau durch die optimierte und minimierte Verwendung von Carbon erwartet werden.
Mit dem Verfahren ist ein signifikanter Schritt in Richtung minimierten und optimierten Carboneinsatzes möglich geworden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Lösungsfindung
Vor dem beschriebenen Hintergrund lassen sich die wesentlichsten Forderungen an die zu entwickelnde Einrichtung wie folgt formulieren:
1.1. automatisierbares Verfahren
1.2. definierbare Position der Verbindungsstelle um den Materialwechsel im Flächenbildungsprozess positionsgenau placieren zu können
1.3. genügend feste und belastbare Verbindungsstelle absolut und Streckung identische Ausrichtung der Einzelfilamente sowie eine absolut identische und konstante Breite der Verbindungsstellen.
2. Erste Demonstration des neuen Verbindungs-Verfahrens
3. Verbindung von unterschiedlichen K-Typen bzw. unterschiedlich gespreizten Materialien
4. Technische Umsetzung des erarbeiteten Prinzips
5. Konstruktive Ausführung der Prototyp-Einrichtung


Ergebnisse und Diskussion

Im Zuge des Vorhabens konnte eine technische Lösung entwickelt und gefertigt werden, mit der es erstmalig möglich ist, eine Verbindung von Filamenten herzustellen, die Orientierung und Streckung der Einzelfilamente nicht beeinflusst. Diese Art der Verbindung wurde unter dem Focus der Anwendung im Be-reich von hochwertigen Carbonfasern entwickelt. Mit Hilfe der Einrichtung ist es möglich, die hochwertigen Carbonfaseren/-rovings mit sehr preiswertem Material zu verbinden. Der Hintergrund ist, diese Ver-bindungsstelle zugeordnet zur Position des Carbons im Bauteil zu setzten und außerhalb der gewünschten Bauteilkontur preiswertes Material zu verwenden.
Dadurch können die erheblichen Verluste an hochwertigem eingesetztem Material reduziert werden.
Bei Erfolg einer technischen Umsetzung können je nach Anwendungsfall 20-60% der heute üblichen Abfallmengen bei der Flächengebildeherstellung aus hochwertigen Fasermaterialien vermieden werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Präsentation bei Kunden
Deutsche Patentanmeldung: 10 2006 013 063.4
Europäische Patentanmeldung: 07009222.6-1256


Fazit

Die Förderung des Projektes durch die DBU hat maßgeblich zu der Realisierung und Beurteilung des Verfahrens beigetragen und ist Voraussetzung für die bevorstehende wirtschaftliche Nutzung.
Es kann nun der Schritt einer industriellen Nutzung angegangen werden. Sowohl bei Flechtverfahren als auch im Rahmen von Web- und Multiaxialtechnologien kann die entwickelte Technik eingesetzt werden.
Das entwickelte Verfahren bietet eine rationelle und funktionssichere Methode in den Materialfluss für die Flächen- bzw. Preformbildung quasi online einzugreifen und positionsorientiert nur in den Konturbereichen hochwertige Carbonfasern zu placieren, die von der Bauteilkonstruktion gefordert werden.
Durch die Einbindung von geringwertigem Material in den Bereichen des Flächengebildes bzw. Preforms, in dem nicht der Einsatz der teuren Hochleistungsfasern erforderlich ist, können die Netto-Konturen der Bauteile mit Carbonrovings gebildet werden.
Dadurch kann bereits bei der Herstellung der Flächengebilde bzw. Preforms im Extremfall bis zu 70-80 % des eingesetzten Rohstoffes eingespart werden. Neben den wirtschaftlichen Vorteilen ist hier der Ressourcen schonende Effekt von besonderer Bedeutung. Bei der konkreten Betrachtung einer kompletten Seitenwand eines Mittelklasse PKWs beträgt der Materialeinsatz für die Tür- und Kotflügelbereiche heute über 400% der letztlich genutzten Netto-Konturfläche. Bei Realisierung des entwickelten Verfahrens ist eine Reduzierung des Abfalls um sicher 50% möglich. Der umweltrelevante Aspekt unserer Entwicklung wiegt doppelt, da nicht nur teure Materialkosten vermieden und die damit verbundenen Ressourcen und Umweltschonung einhergeht und zusätzlich die energieträchtige und Umwelt belastende Vernichtung des bisher zu verwerfenden Materials entfällt bzw. deutlich reduziert werden kann.