Branchenexperten diskutieren nachhaltige Leichtbau-Trends

ENGEL Lightweight Future Day

Leichtbau hat Konjunktur. Zum Erreichen der Klimaschutzziele kommt ihm eine zentrale Rolle zu. Der Lightweight Future Day 2021, zu dem der Maschinenbauer und Systemlöser ENGEL Anfang Mai eingeladen hatte, machte einmal mehr deutlich, dass der Leichtbau eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zu einer CO₂-neutralen Welt ist – und dass Thermoplaste daran einen großen Anteil haben werden.

Aus allen wichtigen Anwenderbranchen, wie Automobil- und Automobilzulieferindustrie, Fahrrad- und Motorradbau, Luftfahrt sowie Sport- und Freizeitindustrie, stellten hochkarätige Experten aus der Industrie sowie Vertreter von renommierten Forschungsinstituten auf dem Lightweight Future Day 2021 aktuelle Lösungen und Lösungsansätze vor. Mehr als 500 Teilnehmer erhielten wertvolle Einsichten aus insgesamt 15 Vorträgen, die die aktuellen Entwicklungen und Trends im Leichtbau in allen Facetten präsentierten, und diskutierten mit. Nach jedem Vortrag gab es eine Q&A-Session, die von Dr. Norbert Müller, Leiter Entwicklung smart machine von ENGEL, und Dr. Bastian Brenken, Geschäftsführer des Composites United e.V., moderiert wurde. Die beiden Branchenexperten führten mit viel Fachkompetenz durchs Programm und verstanden es, dabei eine lockere und unterhaltsame Tagungsatmosphäre zu schaffen. Aufgrund der anhaltenden Corona-Pandemie fand der Lightweight Future Day in diesem Jahr virtuell statt. Die Teilnehmer kamen vor allem aus Europa mit Schwerpunkt Deutschland, UK und Benelux, aber „auch einige Leichtbauexperten aus den USA scheuten nicht die für sie frühe Konferenzzeit“, wie Christian Wolfsberger, Business Development Manager Lightweight Composites von ENGEL und Organisator des Lightweight Future Days, betont.

Thermoplastische Composites beschleunigen die Serienfertigung

Thermoplastische Composites und die entsprechende Fertigungstechnik erleichtern die Serienfertigung mit hohen Stückzahlen deutlich, wie im ersten Vortrag Michael Thienel, Experte für die Entwicklung von Türkonzepten beim Automobilzulieferer Brose erklärte: „Mit einem intelligenten Materialmix ist es uns hier gelungen, ein innovatives Türsystem zu entwickeln, das bei Leichtbau, Funktionalität und Designfreiheit neue Maßstäbe setzt. Im Vergleich zu herkömmlichen stahlbasierten Produkten sparen wir bis zu fünf Kilogramm, also 40 Prozent des Gewichts, ein – bei gleichbleibender Crashsicherheit. Zudem erreichen wir eine Wandstärke von nur noch 0,6 Millimetern.“ Sein Unternehmen liefert bereits seit 2018 jährlich eine Million Türmodule aus faserverstärkten Thermoplasten (Organoblech) an Ford. Heute steht Brose bereits mit der nächsten Generation von Türmodulen an der Schwelle zur Serienreife: Das neue Strukturbauteil ersetzt weitere stahlbasierte Türelemente. In Summe spart das pro Autotür ein weiteres Kilogramm Gewicht ein, und darüber hinaus ist das System kostengünstiger als die Stahlvariante.

Viele Vorträge des Lightweight Future Day zeigen, dass der Weg zum modernen Leichtbau oft über die Thermoplast-Verarbeitung führt. So setzt auch FACC, ein Spezialist für Leichtbaukomponenten im Flugzeugbau, auf Thermoplaste. Das Unternehmen hat dabei insbesondere den Zukunftsmarkt „Urban Air Mobility“ im Blick, bemannte Flugtaxis und unbemannte Drohnen im städtischen Luftverkehr, wie Rene Adam, Director Research & Technology des Unternehmens, schilderte. Erwartet wird ein Produktionsvolumen von 5.000 bis 30.000 Komponenten pro Jahr. Das sind im Vergleich zur Produktion von Bauteilen für größere Flugzeuge, die bei etwa 1.000 Stück pro Jahr liegen, deutlich höhere Zahlen. Die bisher im Flugzeugbau vor allem gebräuchlichen Duroplaste wären aufgrund ihrer langen Härtungszeiten den hier notwendigen kurzen Zykluszeiten nicht gewachsen.

Recyclingfähigkeit macht Leichtbau nachhaltiger

Aber auch im traditionellen Flugzeugbau werden Thermoplaste wohl zukünftig eine größere Rolle spielen, da sich die Luftfahrtindustrie selbst die Klimaneutralität bis 2050 zum Ziel gesetzt hat. Rene Adam: „Die Produktionsprozesse in der Luftfahrtindustrie werden sich komplett verändern. Hybridguss, Kaltverklebung und Rapid Forming sind derzeit hier noch keine Standardprozesse. Wir müssen die Kostenstrukturen und die Produktionszyklen erheblich verbessern. Wir bei FACC glauben, dass aus diesen Gründen Thermoplaste das Schlüsselmaterial für zukünftige Faserverbundkunststoffe in der Luftfahrtindustrie sein werden.“

Ein weiteres Thema zog sich wie ein roter Faden durch viele Vorträge: die hervorragende Recyclingfähigkeit von Thermoplasten im Vergleich zur eher eingeschränkten Wiederverwertbarkeit duroplastischer Faserverbundmaterialien. Georg Käsmeier, Managing Partner beim Ingenieurunternehmen Forward Engineering, wies darauf hin, dass die EU die Kreislaufwirtschaft im Rahmen des Green Deals zur Norm machen will. „Jetzt ist der richtige Zeitpunkt, in Ihrer Produktentwicklung vom linearen zum zirkulären Denken überzugehen und den Recyclingprozess schon beim Produktdesign mitzudenken“, forderte er die Konferenzteilnehmer auf. Im Rahmen einer Studie hat sein Unternehmen die CO₂-Bilanz bei der Produktion eines Bremspedals auf Basis von Primär-Thermoplasten, biobasierten Materialien und rezyklierten Thermoplasten verglichen. Dabei erwies sich das CO₂-Einsparpotenzial beim Einsatz von Thermoplasten mit Rezyklatanteil als erheblich. „Wir glauben, dass thermoplastische Werkstoffe ein großes Potenzial im Hinblick auf Nachhaltigkeit haben. Dazu müssen jetzt Recyclingprozesse im industriellen Maßstab etabliert werden. Aber wir sehen, dass diese Herausforderung von der Industrie angegangen wird “, sagte Käsmeier.

Thermoplastische Leichtbauteile in einem Zug

Aufgrund der wachsenden Bedeutung von Thermoplasten für den Leichtbau hat ENGEL in den vergangenen Jahren viel in Technologien und Anlagen zur Verarbeitung thermoplastischer Composites investiert. „Wir können weltweit als erste einen vollständig integrierten Prozess anbieten, der mit einer UD-Tape-Legezelle beginnt und an dessen Ende eine komplett konsolidierte, überspritzte thermoplastische Leichtbaukomponente steht“, so Paul Zwicklhuber, Entwicklungsingenieur Composite Processing bei ENGEL, in seinem Vortrag. Die Tape-Legezelle arbeitet nach dem Pick-and-Place-Prinzip. Damit lassen sich im Takt von drei bis vier 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. Danach folgt eine Konsolidieranlage, mit der die thermoplastischen Tape-Gelege im Spritzgießtakt konsolidiert werden. Die Konsolidierung lässt sich nahtlos in den Gesamtprozess integrieren, was die Effizienz in der Produktion maßgeschneiderter Tape-Lösungen deutlich erhöht.

Im Zentrum des integrierten Prozesses steht das organomelt Verfahren von ENGEL. Dabei werden thermoplastische Faserverbund-Halbzeuge wie UD-Tapes und Organobleche umgeformt und funktionalisiert. Funktionselemente, wie zum Beispiel Versteifungsrippen oder Montageelemente, lassen sich unmittelbar nach dem Umformen mit einem Thermoplast aus der Werkstoffgruppe des Matrixmaterials anspritzen. Dies ermöglicht einen hochintegrierten und völlig automatisierten Fertigungsprozess – gleichzeitig vereinfacht das Verfahren das Recycling der Bauteile am Ende ihrer Nutzungsdauer. Das organomelt Verfahren ist auch bei der Produktion der Türmodule von Brose im Einsatz.

Dass Leichtbauwerkstoffe auch dann Vorteile haben können, wenn es nicht auf das Gewicht ankommt, zeigte das Beispiel des Schweizer Unternehmens Svismold. Das Unternehmen hat einen Hersteller von Surfboards davon überzeugen können, die bisherigen Duroplast-Flossen, gegen eine Flosse aus thermoplastischen Faserverbundkunststoffen auszutauschen – auf Basis von UD-Tapes. Es zeigte sich, dass sich die neue Flosse durch einzigartig präzise Steuerungseigenschaften auszeichnete. Ein Grund dafür sind die präzise berechneten Kraftflüsse im Bauteil, die sich dank der Ausrichtung der Fasern durch das UD-Tape im Bauteil exakt abbilden lassen – und das bei geringeren Produktionskosten. Das Surfboard mit der neuen Flosse wurde von der Surf-Community begeistert angenommen.

Austausch bleibt wichtig – persönlich und über Branchen hinweg

Besonders der Erfahrungs- und Wissensaustausch zwischen Maschinen- und Anlagenbauern, Materiallieferanten, Werkzeugbauern, Forschern und Entwicklern machen den ENGEL Lightweight Future Day für die Teilnehmer so wertvoll. Hinzu kommt der Austausch zwischen sonst separaten Branchen, die aber nach Lösungen für ähnliche Herausforderungen suchen.

„Auch wenn die virtuelle Plattform in diesem Jahr eine besonders hohe Reichweite erzielte, bleiben für uns die persönlichen Kontakte wichtig“, sagt Christian Wolfsberger. „Wir freuen uns darauf, im nächsten Jahr den Lightweight Future Day wieder als Präsenz- oder Hybridveranstaltung anbieten und möglichst viele Teilnehmer vor Ort in Schwertberg begrüßen zu können.“

www.engel.at