Unter dem Namen Ultracom bietet die BASF ihren Kunden ab Oktober 2013 ein Produkt- und Service-Paket, das neben den Composites, also thermoplastischen Laminaten und Tapes, und den Compounds für das […]
Unter dem Namen Ultracom bietet die BASF ihren Kunden ab Oktober 2013 ein Produkt- und Service-Paket, das neben den Composites, also thermoplastischen Laminaten und Tapes, und den Compounds für das Umspritzen als dritte Komponente einen umfangreichen Serviceanteil beinhaltet. Dahinter verbirgt sich der Ansatz einer ganzheitlichen Entwicklungsplattform von der Konzeptphase über das Design, die Simulation, die Verarbeitung bis zur Bauteilprüfung, um am Ende eine effiziente Serienproduktion beim Kunden zu ermöglichen. Der Serviceteil des Pakets Ultracom umfasst die Auslegungsunterstützung mit dem Simulationswerkzeug Ultrasim, die Nutzung der neuen Fertigungszelle zur Composite-Bauteilherstellung und die umfangreichen und erweiterten Möglichkeiten der Bauteilprüfung der BASF.
Großserienprozessfähige Composite-Anlage
Die BASF hat in Ludwigshafen eine großserienprozessfähige Fertigungsanlage aufgebaut, mit der seit März 2013 multifunktionale Composite-Testkörper nach dem Inmold-Forming-Overmolding-Prozess hergestellt werden. (Foto: BASF)
Um selbst Expertise zu gewinnen und ihre Kunden bei der Bauteilentwicklung optimal zu unterstützen, hat die BASF in ihrem Thermoplast-Verarbeitungs-Technikum eine großserienprozessfähige Fertigungsanlage aufgebaut, mit der seit März 2013 multifunktionale Composite-Testkörper nach dem Inmold-Forming-Overmolding-Prozess hergestellt werden.
Dieses Verfahren ist das erfolgversprechendste für die Fertigung von Strukturbauteilen aus Laminaten und Spritzgießmassen: Das Umformen des Laminats (Drapieren oder auch Inmold-Forming) findet im Werkzeug statt, anschließend erfolgt das Umspritzen (Overmolding). Wird das Laminat außerhalb des Werkzeuges aufgeheizt, ist die Zykluszeit durch parallele Prozessschritte deutlich kürzer, man muss allerdings die aufgeheizten, nicht biege-stabilen Laminat-Einleger sicher transportieren und im Werkzeug positionieren können.
Material-, Verfahrens- und Bauteilentwickung mit CIFO
Um in dieser neuen Fertigungszelle alle Möglichkeiten der Composite-Bauteilgestaltung auszuloten, hat das Unternehmen auch ein eigenes Testbauteil entwickelt: Das so genannte CIFO-Bauteil (abgeleitet von Combination of Inmold-Forming and Overmoulding) ist ein multifunktioneller Testkörper zur Untersuchung und gemeinsamen Entwicklung von endlosfaserverstärkten Composite-Bauteilen für die Serie. Es hat eine Fläche von knapp 40 cm x 40 cm, eine Höhe von 4,5 cm und besteht aus 1,5 mm dicken umgeformten Laminaten sowie bis zu 3 mm dicken angespritzten Funktionselementen wie Rippen und Ränder. An diesem Bauteil mit seinen rund 20 einzelnen Funktionen lassen sich die charakteristischen Merkmale und Probleme der realen Composite-Herstellung nachstellen. Die Besonderheiten des Bauteils umfassen unter anderem umspritzte Ränder, lange Fließwege zum Füllen des Randes sowie durch Stanzen oder Aufweiten angeformte Bohrungen als Montageelemente. Weitere Elemente sind ein Rippenfeld für spezielle Crashuntersuchungen, unterschiedlich gestaltete Rippen/Wanddicken-Übergänge von Laminat und Umspritzmaterial, „Vernäh-Elemente“, d. h. Stellen, an denen das Laminat durchspritzt wurde, sowie ein verrippter U-Profil-Träger. Die CIFO-Bauteile werden werkzeugfallend produziert, das heißt sie sind vollständig umspritzt und es ist keine Nachbearbeitung nötig.
Das Werkzeug (Georg Kaufmann Formenbau AG) für die CIFO-Bauteilfertigung besitzt eine hohe Flexibilität durch Wechseleinsätze, z. B. um die Grenzen des Umformens eines Laminats zu untersuchen. Das Werkzeug ist so gestaltet, dass es einfaches und präzises Positionieren der Laminate über Spannrahmen ermöglicht: Diese Spannrahmen geben das Laminat beim Werkzeugschließen geregelt frei.
Neuartige Fertigungszelle mit Sechsachs-Roboter für Composite-Entwicklung
Die in Ludwigshafen aufgebaute Fertigungszelle für die seriennahe Herstellung von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Composite-Bauteilen besteht neben Förderbändern, dem Magazin für Laminatzuschnitte und einer manuellen Bestückungsstation für besondere Zuschnitte vor allem aus
- einem Sechsachs-Roboter als zentralem Element,
- einer Station zur automatischen Bestückung der Spannrahmen durch den Roboter,
- einem Aufheizofen mit IR-Strahlern, (alle von FPT Robotik GmbH & Co.KG, inklusive Automatisation und Programmierung)
- sowie einer hydraulischen Spritzgießmaschine (KraussMaffei KM 300 1400C2, 3000 kN Schließkraft) mit Steuerung für den Heißkanal und die Kernzüge sowie die Schnittstellen zu Roboter und Temperiergeräten.
Vollautomatischer Prozess – hohe Parallelisierung – kurze Zykluszeit
Der Prozessablauf in der neuen Composite-Fertigungszelle ist stark parallelisiert, so dass die Zykluszeit möglichst kurz ist. Zu diesem Zweck werden für die Laminat-Positionierung in der Zelle drei Spannrahmen gleichzeitig genutzt. Die Schritte, die ein einzelner Spannrahmen durchläuft, umfassen
- die Bestückung des Spannrahmens mit dem Laminat,
- das Aufheizen des thermoplastischen Laminats,
- das Einlegen des Spannrahmens ins Spritzgießwerkzeug,
- das Umformen (Drapieren) und Umspritzen des Laminats,
- die Entnahme des Spannrahmens und des fertigen Bauteils,
- sowie die Ablage des Bauteils auf dem Förderband und des Spannrahmens auf der Bestückungsstation.
Während sich einer der Spannrahmen in der Spritzgießmaschine befindet, hält der zweite das Laminat im IR-Ofen (bis 250°C) und der dritte wird durch den Roboter neu bestückt. Mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit fädelt der Roboter das Laminat automatisch in den Spannrahmen ein. Der Greiferarm verfügt über Saugnäpfe und ist so neben der Handhabung der Spannrahmen auch für das Einfädeln der Laminate und die Entnahme der Bauteile ausgerüstet.
In umfangreichen Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass sich mit dieser Fertigungszelle Zykluszeiten von einer Minute erreichen lassen, die einem Standard-Spritzgießprozess entsprechen. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz des Verfahrens in der Großserie erfüllt.
Composite-Auslegung mit Simulationswerkzeug Ultrasim
Als zweiter Teil des Servicepakets Ultracom ist auch das Simulationswerkzeug Ultrasim so erweitert worden, dass sich das Verhalten von Bauteilen aus thermoplastischen Laminaten mit Glasfasergewebe oder Tapes und umspritztem, kurzglasfasergefülltem Polyamid rechnerisch durch Methoden der Integrativen Simulation zuverlässig vorhersagen lässt. Bereits am Beispiel der Sitzschale des Opel Astra OPC wurden die Möglichkeiten der Simulation beschrieben und genutzt.
Die Integrative Simulation der BASF bindet den Herstellungsprozess des Kunststoffbauteils in die Berechnung des mechanischen Bauteilverhaltens mit ein. Aufbauend auf einer rheologischen FE-Simulation des Spritzgussprozesses und einer 3D-Drapiersimulation für das endlosfaserverstärkte Laminat werden die anisotropen Faserorientierungen an jedem Ort des Bauteils auf die entsprechenden Bereiche im mechanischen Bauteil übertragen (gemappt). Für die mit Endlosfasern verstärkten Bereiche wird dazu eine vollständig neue, erweiterte numerische Materialbeschreibung in Ultrasim verwendet, die in der mechanischen Analyse genau die Eigenschaften berücksichtigt, die für die verstärkten, thermoplastischen Materialien typisch sind: Anisotropie, Nichtlinearität, Dehnratenabhängigkeit, Zug-Druck-Asymmetrie, Temperaturabhängigkeit und unterschiedliche Versagensarten.
Genauso wichtig wie die exakte Beschreibung des Materialverhaltens an jedem Ort ist das Design des Bauteils, d.h. die richtige Auswahl und Platzierung der Verstärkungsfasern und des Halbzeugs (unidirektional verstärkte Tapes oder bidirektional verstärkte Laminate). Hier arbeiten die Ultrasim-Entwickler an Erweiterungen der bisher schon eingesetzten Optimierungsmethoden: Die im Bereich der Kurzglasfasermaterialien bekannte und bewährte Ultrasim-Unterstützung wird auch für die neu entstehende Bauteilklasse der endlosfaserverstärkten Materialien Ultracom zur Verfügung stehen.
Bauteilprüfung im Experiment – jetzt mit Computer-Tomographie
Für die experimentelle Untersuchung von Probekörpern, Mustern und neuen Composite-Bauteilen steht ein breites Spektrum an Prüfeinrichtungen einschließlich des Experten-Know-hows zur Verfügung. Die neue Computer-Tomographie-(CT)-Anlage gestattet nun auch eine ganz spezielle Art der Prüfung von Materialproben, Bauteilen und Verbindungen: Die CT ermöglicht wie keine andere Technologie einen detaillierten Einblick in die inneren Strukturen und Eigenschaften von Composites, ohne dass sie dafür zerstört werden müssen.
Zu weiteren Prüfmöglichkeiten gehören u.a. Temperatur-, Klima- und Medienlagerungen sowie Versuche mit quasi-statischen, dynamischen oder schlagartigen Kräften bzw. Innendrücken. Einzelne Bauteilstrukturen können gezielt mit Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionslast – auch temperiert – beaufschlagt werden. Darüber hinaus befasst sich das Prüflabor mit der Untersuchung und Optimierung von Verbindungstechniken wie Schweißen, Kleben oder Verschrauben: unverzichtbar für Multimaterial-Design von thermoplastischen Composite-Bauteilen.
Für den Kunden: Bauteilentwicklung mit BASF-Unterstützung
Zusammen mit der Simulation und der Bauteilprüfung steht die neue Fertigungszelle nun für kundenspezifische Projekte zur Verfügung. Neben dem Werkzeug sind der Greifer und die Spannrahmen dann für das individuelle Kunden-Bauteil auszulegen und die Roboterkinematik anzupassen. Zurzeit wird vorwiegend mit Laminat-Halbzeugen gearbeitet. Bis zur K 2013 werden auch unidirektional orientierte und zu Gelegen konsolidierte Tapes einsetzbar sein. Erste Kundenprojekte laufen bereits. Das optimale Zusammenspiel von Anwendungsentwicklung mit Simulation, Verarbeitungstechnik und Prüflabor unter einem Dach gestattet eine Unterstützung des Kunden über die gesamte Prozesskette: von der Materialcharakterisierung bis hin zur Serieneinführung von Bauteilen. Auf diese Weise lassen sich gemeinsam und hocheffizient Composite-Bauteile entwickeln.
