Leichtbau-Gipfel 2017 Leichtbau als Innovationstreiber

Was kann der Serienautomobilbau vom Fahrradsport, der Luft- und Raumfahrt sowie der Papierindustrie lernen? Diversifikationsideen – auch am Beispiel der Prozesstechnik xFK in 3D.

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Felss Group GmbH

Voith Composites GmbH & Co. KG

Airbus Operations GmbH

Den Abschluss des »Automobil Industrie Leichtbau-Gipfels« 2017 bildete eine Session zum Thema „Leichtbau als Innovationstreiber – am Beispiel der Prozesstechnik xFK in 3D“, moderiert von AMC-Geschäftsführer Rainer Kurek. Vermittelt wurden konkrete Diversifikationsideen und Innovationen aus angrenzenden Industrien. Zunächst berichtete Pierre Bischoff, letztjähriger Gewinner des ultralangen Radrennens Race Across America (RAAM), über Leichtbau im Fahrradsport. Bischoff zeigte einen Carbon-Flaschenhalter mit nur neun Gramm Gewicht statt mindestens 13 Gramm, eine Sattelschelle mit 5 statt 9 Gramm und ein Carbon-Kettenblatt mit nur 34 Gramm statt 110 Gramm – alle Teile produziert im innovativen xFK-in-3D-Verfahren. „Jedes Kilogramm weniger spart vier Watt Leistung. Das ist eine ganze Menge Energie auf einer Distanz von rund 5.000 Kilometern und 52.000 Metern Gesamthöhendifferenz“, erklärte Bischoff.

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„Heute die Produkte überdenken!“

Peter Sander, Vice President der Airbus Operations GmbH in Hamburg, gab im Anschluss ein Update in Sachen 3-D-Druck. „Die Seriendrucker legen pro Jahr um den Faktor zwei an Geschwindigkeit zu. Das heißt, wenn Sie heute keinen Business Case haben, dann haben Sie ihn vielleicht nächstes Jahr oder in zwei beziehungsweise drei Jahren. Aber Sie müssen heute anfangen, Ihre Produkte zu überdenken“, appellierte Sander an die Zuhörer. Für Airbus seien gedruckte Sonderwerkzeuge bereits Tagesgeschäft, ebenso wie Demonstratoren, um neue Einbauversuche auszuprobieren, sowie Standard-Brackets und Ersatzteile.

Mitgebracht hatte Sander auch „einen Meilenstein“ des hybriden Leichtbaus: Eine Halterung mit 3-D-gedruckten lastaufnehmenden Augen, optimiert für die CFK-in-3D-Wickeltechnik. Statt 130 Gramm in der Aluminiumausführung wiegt das Carbonteil nur noch 102 Gramm – bei gleich hoher Zugbelastung von 3,4 Tonnen und 0,7 Tonnen Druckbelastung. „Das Ergebnis ist atemberaubend. Etwas Besseres habe ich noch nicht gesehen“, sagte Sander.

Über die Chancen und Herausforderungen des Leichtbaus in der Papierindustrie referierte schließlich Harald Gruber, Leiter Business Line Machinery der Voith Composites GmbH & Co. KG. Dem Anlagenbauer ist es zum Beispiel gelungen, mit – gegenüber Stahl – bis zu 66 Prozent leichteren CFK-Walzen die Papierqualität um bis zu 25 Prozent zu erhöhen. Hinzu kommen Einsparungen von bis zu 10 Prozent bei Fasern und Stärke sowie bis zu 5 Prozent höhere Geschwindigkeiten. Im nächsten Schritt will Voith die in der 2.900 Kilogramm leichten CFK-Walze verbliebenen Stahlteile über Optimierungen in der Krafteinleitung ebenfalls durch Carbon ersetzen. Dadurch soll sich das Gewicht noch einmal fast halbieren: auf 1.500 Kilogramm.

Industrialisierung als nächster Schritt

Die zum Patent angemeldete Prozesstechnik „xFK in 3D“ ist ein Verfahren, bei dem faserverstärkte Kunststoffe – etwa Glas-, Kohle- oder Basaltfasern – basierend auf Berechnung und Simulation dreidimensional gewickelt werden. Die Fasern lassen sich dabei geometrisch frei in der x-, y- und z-Ebene auslegen, je nach den definierten Lastpfaden und Lastkollektiven des Bauteils. Der Vorteil dabei: eine auf die Kraft- und Spannungsaufnahme ausgelegte Faserablage und minimaler Werkstoffverschnitt.

Pro Bauteil sind mit „xFK in 3D“ deutlich weniger Carbonfasern notwendig: AMC-Chef Rainer Kurek beziffert die Materialeinsparung auf 40 Prozent im Vergleich zu Carbonteilen, die mittels klassischem RTM (Resin Transfer Moulding) hergestellt werden. Das Verfahren, und das ist eine weitere Besonderheit, eignet sich auch für nicht-rotationssymmetrische Bauteile. Deren Herstellung aus Composites ist mittels Wickelverfahren mit deutlich geringerem Werkzeugumfang möglich – und so auch für kleinere Stückzahlen oder Projekte reizvoll, die häufig geändert werden. „Die Intelligenz von xFK in 3D liegt darin, dass wir den Werkstoff exakt dorthin bringen, wo wir ihn brauchen“, erläuterte Kurek.

Nach der Konzeption, Entwicklung und Herstellung verschiedenster Leichtbauteile (Halter, Konsolen, Trägerelemente etc.), arbeitet Kurek mit unterschiedlichen Partnern aktuell vor allem daran, das xFK-in-3D-Verfahren reproduzierbar zu industrialisieren. Insbesondere die Automation von Verlege- bzw. Wickelrobotern stellt dabei eine sehr anspruchsvolle Aufgabe dar. Dennoch ist Kurek optimistisch, dass die erste Prototypenanlage in wenigen Wochen ihren Betrieb aufnehmen kann.

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