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Innovationen für die Leichtbaubearbeitung

10.09.2015

Auf der Composite Europe vom 22. bis zum 24. September in Stuttgart ist die Abteilung Leichtbautechnologien des Fraunhofer IPA mit drei Innovationen vertreten. Die Wissenschaftler präsentieren ein Handprüfgerät, das die Bearbeitungsqualität von faserverstärkten Kunstoffen (FVK) schnell und flexibel ermittelt. Außerdem zeigen sie ein energieeffizientes Absaugsystem, welches bei der Zerspanung von Leichtbaustoffen nahezu 100 Prozent der Abfallprodukte erfasst. Darüber hinaus demonstrieren die Experten, wie sich Rührreibschweißen einsetzen lässt, um Kunststoffteile schnell und sicher zu verbinden.

Bauteile aus FVK werden oft bei extremen Belastungen verwendet. Da sie leicht und gleichzeitig fest sind, eignen sie sich beispielsweise für den Rennsport oder die Luft und Raumfahrt. Um den hohen Sicherheitsanforderungen dieser Branchen gerecht zu werden, ist eine intensive Qualitätssicherung erforderlich.


Mit dem neuen Handgerät lässt sich das Rührreibschweißen einfach und sicher einsetzen, um Leichtbaustoffe zu verbinden.

Quelle: Fraunhofer IPA

Da auf dem Markt weder entsprechende Verfahren noch Werkzeuge existieren, müsse hier teilweise noch manuell gearbeitet werden. »Das kostet Unternehmen viel Zeit und Geld und liefert subjektive Ergebnisse«, kritisiert Dr. Christoph Birenbaum, Gruppenleiter Leichtbautechnologien am Fraunhofer IPA. Besonders letzteres kann bei FVK-Bauteilen schwerwiegende Folgen haben.

»Die Fasern sind so spröde und abrasiv, dass schon kleinste Kantenausbrüche oder Überstände zu Fehlern in der Weiterverarbeitung führen können«, erklärt der Experte.

Handgerät ermöglicht Qualitätskontrolle bei einzelnen FVK-Bauteilen

Lösungen für dieses Problem gibt es bereits. In den vergangenen Jahren haben die IPA-Wissenschaftler verschiedene Prüfwerkzeuge entwickelt, um die Qualität von FVK zu beurteilen. »Diese Tools werden zum Teil direkt ins Bearbeitungszentrum integriert. Sie ermitteln die Qualitätskriterien schon während der Herstellung«, erläutert der Gruppenleiter.

Allerdings ist diese Vorgehensweise laut der IPA-Experten nur bei Nischenproduktionen sinnvoll, bei Serienproduktionen sei sie zu aufwendig. Die Wissenschaftler haben daher die stationären Technologien in ein Handprüfgerät überführt, das genauso groß und schwer ist wie eine Bohrmaschine. »Damit können einzelne Bauteile schnell und flexibel geprüft werden«, informiert Birenbaum.

Außerdem lasse sich das Werkzeug modular erweitern und mit nur wenigen Handgriffen an verschiedene Prüfaufgaben anpassen, fügt er hinzu. Erste Anfragen aus der Industrie haben die Stuttgarter Wissenschaftler schon erhalten: Automobilhersteller wollen das Handprüfgerät zum Beispiel für die Wareneingangskontrolle verwenden.

Energieeffizientes Absaugsystem entfernt Emissionen fast vollständig

Mit ADExSys zeigen die Experten auf der Composite Europe ein intelligentes Absaugsystem, das Emissionen bei der Leichtbaubearbeitung mit geringem Energieaufwand nahezu vollständig beseitigt. Insbesondere beim Fräsen und Schleifen von Leichtbaustoffen entstehen jede Menge Späne und Stäube. Diese stellen nicht nur für die Maschine ein Risiko dar, sondern auch für die Arbeiter. Um die Prozesssicherheit zu gewährleisten, entfernen Absaugsysteme die lästigen Abfallprodukte aus dem Arbeitsraum.

Heutige Anlagen verbrauchen jedoch viel Energie, da sie ähnlich wie eine Dunstabzugshaube den gesamten Innenraum entlüften. Außerdem hinterlassen sie immer einen Rest an Emissionen. Das adaptive Absaugsystem ADExSys schafft hier Abhilfe. Die Innovation detektiert den Spänestrahl mit Sensoren und positioniert anschließend den Absaugrüssel direkt an der ermittelten Stelle.

Da die Partikel nicht länger unter hohem Energieaufwand zu einer Absaugöffnung gelenkt werden, reduziert sich der Verbrauch um den Faktor zehn. Darüber hinaus verschwinden Abfallprodukte nahezu vollständig. Zum Jahresende wollen die IPA-Experten die Technologie in einem Forschungsprojekt weiter ausbauen. Derzeit suchen sie nach Unternehmen, die das Verfahren industriell einsetzen wollen.

Rührreibschweißen für gleichmäßige und sichere Kunststoffverbindung

Im Gegensatz zu Metallen lassen sich FVK-Teile nicht einfach zusammenschweißen. Denn beim Kleben oder Aufschmelzen gelangen keine Verstärkungsfasern in die Fügezone, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften des gefügten Bauteils reduzieren. Die IPA-Wissenschaftler haben bereits gezeigt, dass sich mit dem Rührreibschweißen Verstärkungsfasern in die Fügezone einrühren lassen. Das Verfahren kann somit als faserverbundgerechtes Fügeverfahren bezeichnet werden.

Besonders wichtig war es den Experten, die Prozessgeschwindigkeit schleunigst auf ein industrietaugliches Niveau zu steigern. Dafür sei vor allem zusätzliche Wärme nötig. »Im Gegensatz zu Metallen leiten Kunststoffe Wärme nur geringfügig. Die Reibungswärme beim Rührreibschweißen reicht also nicht aus«, erklärt Projektleiter Manuel Schuster.

Als ergänzende Wärmequelle haben die Experten eine Infrarot-Einrichtung eingesetzt, mit der die Prozessgeschwindigkeit deutlich gesteigert werden konnte. »Mit 650 Millimeter pro Minute ist das Verfahren für die Industrie schon interessant«, meint Schuster. Ebenfalls konnte das Team mit einem ultrasschallangeregten Werkzeug die Vorschubgeschwindigkeit steigern. Hiervon versprechen sich die Wissenschaftler Potenziale, das Verfahren weiter zu beschleunigen.

Außerdem haben die Leuchtbau-Experten ein Handgerät entwickelt, das die Technologie schnell und sicher ausführt. Möglich sei dies nur gewesen, weil die Prozesskräfte des Verfahrens verhältnismäßig gering sind. Mögliche Einsatzbereiche finden sich in der Herstellung von Prototypen oder bei der Reparatur von FVK-Bauteilen. Auf der Composite Europe zeigen die Wissenschaftler einen ersten Prototyp.

Dr. Marco Schneider | Telefon +49 711 970-1535 | marco.schneider@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Pressekommunikation
Jörg-Dieter Walz | Telefon +49 711 970-1667 | presse@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA | Nobelstraße 12 | 70569 Stuttgart

Redaktion
Ramona Hönl | Telefon +49 711 970-1638 | ramona.hoenl@ipa.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.ipa.fraunhofer.de
http://www.ipa.fraunhofer.de/composite_europe_2015.html

Jörg Walz | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

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