JEC World 2016: Komplexe Hohlbauteile in Großserie

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Wie komplex geformte Hohlbauteile in automatisierter Großserie zu wettbewerbsfähig hergestellt werden können, zeigt der diesjährige Preisträger des JEC World Innovation Awards in der Kategorie „RTM“: Das Gemeinschaftsprojekt von KTM Technologies, H2K Minerals, Teufelberger und BASF stellt eine integrative Betrachtung der Prozesskette dar.
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Gemeinschaftsprojekt von KTM Technologies, H2K Minerals, TEUFELBERGER und BASF gewinnt JEC World Innovation Award / Technologiedemonstrator für Hohlprofile vereint aktuelle Verfahren und Materialien zu großserienfähigem Prozess: Wie komplex geformte Hohlbauteile in automatisierter Großserie zu wettbewerbsfähigen Kosten hergestellt werden können, zeigt der diesjährige Preisträger des JEC World Innovation Awards in der Kategorie „RTM“: Das Gemeinschaftsprojekt der Firmen KTM Technologies, H2K Minerals, Teufelberger und BASF stellt eine integrative Betrachtung der Prozesskette dar – von der Kernfertigung und Herstellung des Vorformlings („Preform“) mit Karbonfasern in Flechttechnologie über den HP-RTM-Prozess (high pressure resin transfer molding) mit Polyurethanreaktivharz bis zum Auslösen des Kernmaterials. Das „Cavus“ genannte Projekt hat dabei ein geometrisch komplexes Hohlbauteil mit Hinterschnitten am Beispiel eines Mountainbike-Lenkers umgesetzt. Der Technologiedemonstrator vereint aktuelle Fertigungsmethoden mit ausgereiften Materialien zu einem großserienfähigen Verfahren für wettbewerbsfähigen Leichtbau in der Automobilbranche und anderen Industrien.

Initiiert hat das Projekt KTM Technologies. Das Unternehmen ist verantwortlich für die Projektleitung, Bauteilauslegung und Werkzeugkonstruktion sowie die Herstellung der Bauteile. H2K Minerals entwickelte die Materialien der HP-RTM-fähigen Kerne und stellt diese her. Die Preform in Flechttechnologie wurde vom Composite-Bauteilhersteller Teufelberger entwickelt, optimiert und gefertigt. Prozesssimulation und PU-System stammen von BASF.

Integralbauweise: vom Sandkern bis zum serienreifen Hohlbauteil

Ausgangspunkt des Bauteils ist der speziell entwickelte, druck- und temperaturstabile Kern. Er besteht aus Sand sowie wasserlöslichen Additiven und kann zahlreiche Geometrien annehmen. Zur Herstellung des Vorformlings wird ein voll-automatisiertes Flechtverfahren mit Karbonfasern angewandt. Mit dem Flechtverfahren können komplexe Geometrien bei gleichzeitig hohem Materialdurchsatz abgebildet werden. Aufgrund der großen Ablagegenauigkeit weist die dabei entstehende Preform bereits die Endkontur des fertigen Bauteils auf.

Der anschließende HP-RTM-Prozess zeichnet sich durch kurze Injektionszeiten und ein hochreaktives, kompaktes Polyurethanharzsystem der BASF aus, das die Zykluszeit drastisch auf zwei bis drei Minuten verkürzt. Der hohe Werkzeuginnendruck begünstigt hierbei eine vollständige Benetzung der Karbonfasern und ermöglicht komplexe Bauteilgeometrien mit hohem Faservolumengehalt. Das schnell härtende PU-Matrixsystem Elastolit® R 8819 für Endlosfaserverbundbauteile verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften, vor allem sehr gute Dauerbelastbarkeit, Schlagzähigkeit und hohe Schadenstoleranz. Das BASF-Simulationsinstrument Ultrasim® trug dazu bei, eine bestmögliche Prozessführung zu finden und die mechanische Belastung des Kerns während der Injektion zu verringern.

Abschließend erfolgt das Auslösen des Kernmaterials mittels Wasser, das auch bei kleinen Bauteilöffnungen möglich ist. Abhängig von der Fertigungsmethode sind dabei bis zu 98% des Kernmaterials in der weiteren Produktion wiederverwendbar.

Leichtbau — von der Herausforderung zur Lösung

Hohlbauteile weisen ein großes Leichtbaupotential auf. Die größte Herausforderung stellen komplexe Geometrien mit variablen Durchmessern und Hinterschnitten dar. Der noch immer hohe Anteil manueller Fertigungsschritte, die nötige Nachbearbeitung sowie lange Zykluszeiten führen dabei zu hohen Stückkosten. „Bisher konnten Technologien anspruchsvolle Designs nur begrenzt oder bei hohen Kosten für die Standardserienfertigung umsetzen“, sagt Hans Lochner, Leiter der Technologieentwicklung und des Prototypenbaus bei KTM Technologies. „Unser einzigartiges Gemeinschaftsprojekt „Cavus“ löst dieses Problem mit einem innovativen, schnellen und verlässlichen Prozess, der die Serienfertigung von komplexen Hohlprofilen für Stückzahlen größer als 10’000 revolutionieren kann. Die Kombination von Composite-Leichtbau und vertretbaren Kosten ist somit in greifbare Nähe gerückt. Zu diesem Erfolg trug maßgeblich das Zusammenspiel zwischen den beteiligten Unternehmen, ihr Know-how und ihre Innovationsfreude bei.“

 

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