MAI CARBON

22. September 2014

Die Schokoladenseite des Carbons

Das Leitprojekt MAI Plast biegt auf die Zielgerade – deutliche Fortschritte in der automatisierten Herstellung von Carbon-Bauteilen

Schon zur Halbzeit von MAI Plast, Mitte 2014, steht für Projektleiter Tobias Loos fest: „Wir schaffen das.“ Für den Kunststoffingenieur vom Autobauer Audi in Neckarsulm bedeutet das zweierlei. Zum einen ermöglichen die Forscher im MAI-Plast-Konsortium den großtechnischen Einsatz einer neuen Carbon-Variante, nämlich mit sogenannter thermoplastischer Matrix.

Zum anderen erfüllen sie die für die automobile Großserienproduktion harten Randbedingungen wie Taktzeiten von unter drei Minuten, ein deutlich verringerter Ausschuss sowie reduzierte Kosten in der Fertigung. Die Projektpartner aus der Luftfahrtbranche versprechen sich zusätzlich einen höheren Automatisierungsgrad der bislang überwiegend manuell unternommenen Prozesse sowie neue technische Ansätze etwa für das Fügen von Carbonteilen.

Es geht um nichts weniger als eine neue Technologie: Bislang wird der Verbundwerkstoff CFK, umgangssprachlich als Carbon bezeichnet – bestehend aus Kohlenstofffasern, die in einer flüssigen Kunststoffmatrix eingegossen werden –, überwiegend mit sogenannten duroplastischen Kunststoffen hergestellt. Nach dem Aushärten ist der Verbundwerkstoff fix. Er lässt sich nicht mehr verformen. Thermoplaste sind jedoch anders. Werden die Carbonfasern mit solchen Kunststoffen zum Hightech-Werkstoff veredelt, bleiben sie formbar, da hier die Kunststoffmatrix bei größerer Wärmezufuhr wieder weich wird. "Im Prinzip verhalten sich die Thermoplaste ähnlich wie Schokolade", erklärt Loos. Beim Erhitzen wird der Rohstoff wieder weich und kann in eine neue Form gebracht werden. Für die Industriefertigung mit Carbon hieße das hingegen, dass vorbereitete Carbon-Tapes durch heiße Formwerkzeuge zu neuen, beliebigen Geometrien geformt werden können.

Heißes Eisen

In Forschung und Entwicklung ist Carbon mit thermoplastischer Matrix gerade ein heißes Eisen, weltweit. Durch den Werkstoff versprechen sich die Ingenieure Vorteile in der Fertigung, neue Designfreiheiten und am Lebensende des Produkts eine bessere Rezyklierfähigkeit. So ließen sich beispielsweise die Faser von der Kunststoffmatrix durch Erhitzen leichter trennen.

Die Aufgabenstellung im Projekt MAI Plast war und ist entsprechend riesig und lässt sich am besten am etwas sperrigen Arbeitstitel dieses Leitprojekts ablesen. Es geht um eine "kosteneffiziente Verarbeitungstechnologie zur automatisierten Prozessierung von thermoplastischen Hochleistungsverbundwerkstoffen für Großserienanwendungen". Jedes Wort darin hat Gewicht. Mit 18 Partnern – darunter Unternehmen wie Audi, BASF, BMW sowie Forschungseinrichtungen wie das DLR, Universität Augsburg und die TU München – ist MAI Plast denn auch das größte Unterfangen im Spitzencluster. Ein solch großes Konsortium ist notwendig, um die immensen Herausforderungen von A bis Z bearbeiten und die Grundlagenforschung aus möglichst vielen Blickwinkeln vorantreiben zu können.

Universelle Strukturen

Wie hält Tobias Loos das zusammen? "In gewisser Weise fühle ich mich manchmal schon wie ein Dirigent, der aus vielen Solisten ein Orchester formt", sagt Loos und lacht. Das Leitprojekt hat sich in zwei Arbeitsgruppen (AG) strukturiert, deren Leitung sich mit Loos eng abstimmt. Eine AG untersucht automobilspezifische Anwendungen, eine andere konzentriert sich auf die Luftfahrt. Wojciech Brymerski, Kunststoffingenieur bei Audi, leitet die AG Automotive: "Wir betrachten einfache Bauteile, bei denen die Forschungspartner nicht im Wettbewerb stehen."

So haben sich die Forscher beispielsweise eine Stirnwand, die den Fahrgastraum vom Motorraum trennt, genauer angesehen und in exemplarische CFK-Strukturen aufgelöst. Bisher besteht die integrierte Stirnwand aus etlichen Blech-, Alu- und Kunststoffelementen, die zusammen gefügt werden. Die integrierte Stirnwand könnte hingegen einmal aus einem einzigen Carbonteil bestehen. „Das ist eine große Aufgabe, die wir auf kleine Teilprobleme herunter brechen“, erläutert Elisabeth Ladstätter. Sie ist die stellvertretende Leiterin des Lehrstuhls für Carbon Composites an der TU München und auch im Leitungsteam von MAI Plast.

Eine dieser universellen Grundstrukturen ist ein Materialsandwich, dessen Kern aus einer Wabenstruktur besteht. Darüber legen die Ingenieure Carbon-Tapes zur Abdeckung. Von außen sieht das Musterbauteil aus wie ein Brett. "Wir fragen uns nun, wie wir das Bauteil am besten produzieren, welche Werkzeuge nötig sind, und wie wir beispielsweise die Tapes optimal legen", erklärt Loos. "Anschließend untersuchen wir die Eigenschaften der Sandwich-Struktur, etwa durch Biegeversuche", ergänzt Brymerski.

Die AG Luftfahrt untersucht auf ähnliche Weise ein Schalenelement aus dem Rumpf eines Flugzeugs der nächsten Generation, berichtet Oliver Schieler, Entwicklungsingenieur bei Airbus Helicopters. Obwohl Fertigungs- und Bauteilanforderungen von Auto und Fluggerät deutlich verschieden sind, schätzt Schieler den direkten Informationsaustausch zwischen den Teilprojekten.

Virtuelle Fabrik

Zwar werden die verschiedenen Prozessschritte von der Kohlenstofffaser zum Bauteil an den Standorten der verschiedenen Partner realisierten. Virtuell sind die Einzelschritte jedoch zu einem Fabrikationsnetz zusammengeschaltet, das die MAI-Region gewissermaßen überzieht. "Durch eine Materialflusssimulation können wir dann schauen, welcher Prozess wie viel Zeit benötigt", erklärt Brymerski. In der digitalen Gesamtschau können die Forscher daher die verschiedenen Prozessvarianten anhand von Kosten, Zeit, Ausschuss und Bauteilqualität abwägen. "Da können wir ablesen, dass wir die Projektziele auf jeden Fall schaffen werden", sagt Brymerski.

Für den Kunststoffingenieur Brymerski bringt das persönliche Netzwerk, das aus der engen Zusammenarbeit in MAI Plast entsteht, den größten Benefit. Mit Neckarsulm befindet sich seine Arbeitsstelle zwar eher am Rand der MAI-Region. Doch prinzipiell sei es vorteilhaft, dass sich alle Partner innerhalb einer Auto- oder Zugstunde treffen können. Örtliche Nähe und komplementäre Interessen ermöglichen einen Mehrwert: "Ich kann relativ spontan die Kooperationspartner zum Gespräch und Erfahrungsaustausch einladen", erklärt Brymerski. Neue Ideen entstehen, und neue Projekte -- auch über MAI Plast und den Spitzencluster hinaus.


Bildunterschrift: MAI Plast Prozessdarstellung

Freies Fotomaterial zu Carbon Composites
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