Gefräste CFK-Bauteile: Kanten gezielt beschichten
Ziel des Forschungsprojekts "CFKComplete" ist die Entwicklung einer innovativen, modularen Konzeption für eine Werkzeugmaschine, mit der spanende CFK-Bauteile optimal bearbeitet werden können. Die Gewichtsreduzierung bewegter Massen ist eines der primären Zukunftsziele im Automobil- und Luftfahrtbereich.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) bieten aufgrund ihrer hervorragenden gewichtsbezogenen Steifigkeiten ein enormes Potenzial, dieses Ziel zu erreichen. Allerdings sind die Herstellungs- und Bearbeitungskosten dieser Bauteile noch zu unwirtschaftlich. Gegenwärtig gibt es kaum deutsche Unternehmen, welche Maschinen speziell für die spanende CFK-Werkstoffbearbeitung anbieten, obwohl durch die Entwicklung von CFK-Bearbeitungszentren ein erhebliches Marktpotenzial erschlossen werden könnte. Aus technologischer Sicht gibt es aufgrund der besonderen Werkstoffeigenschaften von CFK einen hohen Bedarf, die Prozessschritte Bearbeiten, Messen und Versiegeln in einer Werkzeugmaschine zu integrieren. Dazu ist ein innovatives modulares Maschinenkonzept zu entwickeln.
| Im Rahmenprogramm „Produktionsanlagen für Wachstumsmärkte – intelligent einfach und effizient“ des BMBF entwickeln die Firmen AUDI AG, Homag GmbH, Krautzberger GmbH, Carl Zeiss Automated Inspection GmbH & Co. KG und IST Metz GmbH gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA jetzt ein Anlagenkonzept, in dem CFK-Bauteile in einer Maschine bearbeitet und versiegelt werden können. Ziel ist die intelligente Komplettbearbeitung und Versiegelung von CFK-Bauteilen für die Großserie. Betreut wird das Vorhaben „CFKComplete“ vom Projektträger Karlsruhe (PTKA-PFT). |
Innovative Funktionsintegration
Ziel des Forschungsprojekts „CFKComplete“ ist die Entwicklung und Umsetzung einer innovativen, modularen Konzeption für eine Werkzeugmaschine, die ist auf die speziellen Anforderungen der spanenden CFK-Bauteilbearbeitung optimiert. Die innovative Funktionsintegration von Bearbeitung, Messen und Versiegeln in einer Maschine ermöglicht eine Komplettbearbeitung der Bauteile, wobei die spanende Bearbeitung und die Versiegelung von Multimaterialsystemen um 50 v. H. wirtschaftlicher werden sollen. Mit Hilfe der zu entwickelnden Hochleistungsanlagen werden die Material- und Energieeffizienz in der Automotive-Serienfertigung systematisch und nachhaltig gesteigert. Nach einer Anforderungsanalyse werden Maschinenkonzepte entwickelt und in eine modulare Maschinenplattform überführt. In diese werden die zu entwickelnden Aggregate der Prozessmodule Bearbeiten, Messen und Versiegeln integriert.
Anschließend wird die prototypische Maschinenplattform in einer Demonstratormaschine umgesetzt. Es folgen experimentelle Untersuchungen an einem Demonstratorbauteil, um die Funktionsfähigkeit der Maschine zu verifizieren und die hohe Wirtschaftlichkeit nachzuweisen. Nach einem erfolgreichen Projektabschluss bietet die neue Anlage die Möglichkeit, gewonnene Erkenntnisse auf weitere Leichtbauwerkstoffe, beispielsweise auf glasfaserverstärkte Kunststoffe, auszuweiten. Die Ergebnisse des Vorhabens haben das Potenzial, auf Branchen außerhalb des klassischen Leichtbaus transferiert zu werden. Auf die effiziente Möbelherstellung lassen sich die Forschungs- und Entwicklungsergebnisse beispielsweise ebenso übertragen wie auf die Bearbeitung von Werkstoffen aus der Sportgeräte-Industrie.
Die Kantenversiegelung des CFK (li. von oben, re.von der Seite): Dabei kommt hochviskoses, UV-härtendes Material zum Einsatz.
Oversprayfreie Applikation
Erste erfolgreiche Kantenversiegelungen konnten mit oversprayfreier Applikationstechnik mittels Mikrodosiersystemen erreicht werden. Dabei wird ein hochviskoses UV-härtendes Material gezielt auf die Kante appliziert. Bei dieser Technologie werden durch kurzzeitige Öffnung (ca. 1-2 ms) einer Düse einzelne Tropfen erzeugt, die gezielt auf die Kanten geschossen werden.
Bei den Versuchen konnte eine hohe Prozessstabilität hinsichtlich des Applikationswinkels (bis zu 45 °) nachgewiesen werden. Im Bild links erfolgt die Beschichtung der Kanten senkrecht; rechts unter 45 °-Winkel.
Durch Viskositätseinstellungen und Einsatz von Temperatur bei der Tropfenerzeugung kann ein gutes Versiegelungsbild an der Kante erreicht werden. Bei den Versuchen konnte eine hohe Prozessstabilität hinsichtlich des Applikationswinkels (bis zu 45 °) nachgewiesen werden, so dass sich entsprechende Freiheitsgrade für die Bahnführung ergeben. Damit wird nun die Adaption an eine CNC-Maschine aus dem Bereich der Holzbearbeitung der Firma Homag vorgenommen und ein Konzept für die Bahnführung erstellt. Insbesondere Fragen, wie auf Geschwindigkeitsänderungen bei Kurvenfahrten an komplexen Bauteilen reagiert wird, werden dabei bearbeitet.
Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970 3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de, Dr. Oliver Tiedje, Tel. +49 711 970 1773, oliver.tiedje@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung
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