Thermoplast-Composites in der Großserie

Vollautomatisierter One-Shot-Prozess

Die Verarbeitung und Funktionalisierung von thermoplastischen endlosfaserverstärkten Halbzeugen wie Organo¬blechen oder UD-Tapes im ENGEL organomelt Verfahren bildet in diesem Jahr einen Schwerpunkt am Messestand von ENGEL. In den USA ist die weltweit erste Großserienanwendung angelaufen. Ausgehend von Organoblechen produziert Valeo Front End Modules in Smyrna, Tennessee, Frontendträger mit integrierter Luftführung für einen namhaften deutschen OEM. Für ihre innovative Fertigung und ihre herausragenden Eigenschaften wurden die Strukturbauteile im Juli dieses Jahres mit einem Automotive Award der Society of Plastics Engineers (SPE) ausgezeichnet. Das Bauteil weist einen ausgesprochen hohen Organoblech-Anteil auf und führt zu einer deutlichen Gewichtseinsparung und besseren Crashperformance. Zudem konnten durch einen zweischaligen Aufbau die Luftkanäle direkt in die Trägerstruktur integriert werden.

Die für die vollautomatisierte Großserienfertigung von ENGEL gelieferte Systemlösung besteht aus einer duo 1700 Spritzgießmaschine mit 17.000 kN Schließkraft, drei easix Knickarmrobotern für die Vorbereitung einer Vielzahl von Metall-Inserts und für das Organoblech-Handling, einem viper 90 Linearroboter und einem ENGEL IR-Ofen Baugröße 5. ENGEL lieferte die Fertigungszelle als Systemlösung aus einer Hand. Die beiden Halbschalen werden im selben Werkzeug im One-Shot-Prozess produziert. Hierfür werden die beiden Organobleche gleichzeitig im IR-Ofen aufgeheizt, ins Werkzeug eingelegt, dort umgeformt und unmittelbar danach im selben Werkzeug mit einem Spritzgießprozess funktionalisiert. Die Organobleche vom Typ Tepex dynalite von Bond Laminates basieren auf Glasfasern in einer Polypropylen-Matrix. Ebenso wird zum Überspritzen glasfaserverstärktes Polypropylen eingesetzt.

Erst der durchgehend thermoplastische Ansatz ermöglicht es, den Umformprozess und die Funktionalisierung zu integrieren und Tragstruktur und Funktionselemente stoffschlüssig miteinander zu verbinden. „Der vollautomatisierte One-Shot-Prozess leistet einen wesentlichen Beitrag zur von der Automobilindustrie geforderten Senkung der Stückkosten“, betont Christian Wolfsberger, Business Development Manager Composite Technologies von ENGEL am Stammsitz in Schwertberg, Österreich. Ein weiterer Vorteil: Der Einsatz ausschließlich thermoplastischer Polymere vereinfacht die Entwicklung von Recycling-Konzepten, mit dem Ziel, die Bauteile am Ende ihrer Nutzungsdauer in die Stoffkreisläufe zurückzuführen. „Wir sehen, dass der thermoplastbasierte Composite-Leichtbau zunehmend in den Fokus der Produktenwickler rückt, sowohl in der Automobil- als auch Flugzeugindustrie“, betont Wolfsberger.

Neue Konsolidierpresse für UD-Tapes

Die ENGEL organomelt Technologie eignet sich sowohl für Organobleche als auch unidirektional (UD) glas- und/oder carbonfaserverstärkte Tapes mit thermoplastischer Matrix. Tapes ermöglichen es, Halbzeuge anforderungsgerecht auszulegen und so das Leichtbaupotenzial von Bauteilen noch besser auszuschöpfen. Die Bauteile werden entweder partiell mit einigen wenigen Tapes verstärkt oder es werden aus einer Vielzahl von Tapes Gelege (Stacks) mit mehreren Millimetern Dicke hergestellt.

Um in der Großserie wirtschaftlich zu sein, muss das Legen und Konsolidieren der Stacks inline und im Takt des Spritzgießprozesses erfolgen. Als Systemanbieter ist ENGEL in der Lage, für den Gesamtprozess – ausgehend von einzelnen Tapes bis hin zur Funktionalisierung im Spritzguss – aus einer Hand integrierte und vollständig automatisierte Lösungen anzubieten.

Für die Herstellung der Gelege kommen dafür zwei Anlagen zum Einsatz. Eine Pick-and-Place-Tape-Legezelle mit optischer Bildverarbeitung und eine Konsolidierpresse, die ENGEL auf der Composites Europe erstmalig vorstellt. „Mit der Neuentwicklung ist es uns gelungen, Gelege aus faserverstärkten thermoplastischen Tapes im Spritzgießtakt zu konsolidieren“, so Dr. Norbert Müller, Leiter des Technologiezentrums für Leichtbau-Composites von ENGEL. „Die Konsolidierpresse lässt sich nahtlos in den Gesamtprozess integrieren, was die Effizienz in der Produktion maßgeschneiderter Tape-Lösungen deutlich erhöht.“

Mit der Konsolidierpresse, die ENGEL gemeinsam mit seinem Partner Fill (Gurten, Österreich) entwickelt hat, lassen sich Fasergelege mit gezielter Faserorientierung und in unterschiedlicher Wanddicke konsolidieren. Alle Prozessschritte erfolgen automatisiert. Insgesamt integriert der Konsolidiervorgang das Einlegen des Fasergeleges ins Werkzeug, das Transferieren des geschlossenen Werkzeugs in die Heizpresse, das Erwärmen, das Transferieren des Werkzeugs in die Kühlpresse, das Konsolidieren und Abkühlen sowie das Transferieren in die Ausgangsstation, wo das Werkzeug geöffnet, das konsolidierte Halbzeug entnommen und ein neues Fasergelege eingelegt wird, damit der Zyklus von neuem starten kann.

Tape-Legezelle mit hochauflösender Kameratechnik

Die Tape-Legezelle ist eine Entwicklung von ENGEL. Um auch hier kürzeste Zykluszeiten zu erreichen, arbeitet sie nach dem Pick-and-Place-Prinzip. Damit lassen sich im Takt von drei Sekunden Tapes ablegen und punktuell miteinander verschweißen. Da die Qualität des Stacks wesentlich von der Genauigkeit der Tape-Positionierung abhängt, hat ENGEL die Legezelle mit einem Messsystem mit hochauflösender Kameratechnik ausgerüstet. Das Messsystem liefert Daten, die aktiv beim Ablageprozess genutzt werden, sodass höchste Ablagegenauigkeit garantiert werden kann.

Die Pick-and-Place-Legetechnologie mit optischer Bildverarbeitung ist sehr flexibel einsetzbar. Die Tapes können beinahe beliebige Breiten und Konturen aufweisen. Da die Stacks bereits beim Legen die für das Bauteil benötige Form erhalten, kann nach der Konsolidierung eine Umformung und Funktionalisierung im Spritzguss erfolgen, ohne dass ein zwischengeschalteter Beschnitt erforderlich ist.

ENGEL selbst setzt bereits eine solche Lösung für die Herstellung seiner eigenen Produkte ein. Der Rotationsarm der e-pic Roboter besteht aus carbonfaserverstärkten Tapes.

Alle zukunftsweisenden Technologien im Blick

Mit seiner jahrzehntelangen Erfahrung im Spritzgießmaschinenbau und mit der Automatisierung von Produktionsprozessen bringt ENGEL wesentliche Erfolgsfaktoren mit, um für die besonders preissensitive Automobilindustrie hocheffiziente Verfahren zur Herstellung innovativer Leichtbau-Composites zu entwickeln. Seit 2012 bündelt ENGEL seine Leichtbaukompetenz mit dem Know-how weiterer Unternehmen sowie von Universitäten und Forschungsinstituten in seinem eigenen Technologiezentrum für Leichtbau-Composites. Ein interdisziplinäres Entwicklungsteam befasst sich dort mit allen zukunftsweisenden Composite-Technologien. Neben der Verarbeitung von faserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen sind dies HP-RTM, SMC und reaktive Verfahren wie In-situ-Polymerisation (T-RTM). Auf der Composites Europe präsentieren die ENGEL Leichtbauexperten das breite Spektrum der technologischen Möglichkeiten und gewähren Einblick in aktuelle Entwicklungsprojekte.

Im Technologiezentrum für Leichtbau-Composites in Österreich entwickelt ENGEL neue, besonders wirtschaftliche Verarbeitungsverfahren für die Serienfertigung von Faserverbundbauteilen.

Die von ENGEL entwickelte Tape-Legezelle nutzt hochauflösende Kameratechnik um aus Tape-Zuschnitten präzise Stacks zu fertigen.