WI-IN: Umsetzung einer integrativen Wickel-Spritzgieß Fertigungszelle zur ressourcen-effizienten Herstellung hybrider Thermoplast-Hohlstrukturen

Abstract

Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik: Zum Start des Vorhabens lagen die beiden Prozessschritte des laserbasierten Tape-Wickelns und des mobilen Spritzgießens nur entkoppelt vor. Um funktionalisierte Profilstrukturen herzustellen, mussten die Prozesse in der Regel an unterschiedlichen Standorten stattfinden und es wurden zusätzliche Montageschritte benötigt. Die Kombination bei der Prozesse wurden bis dato nur theoretisch erfasst aber noch nicht praktisch erprobt. Die Bereitstellung funktionaler hybrider Leicht-Hohlstrukturen mit großer Variantenvielfalt bei gleichzeitig niedrigen Produktkosten sowie Ressourcenverbrauch stellte eine große Herausforderung dar, insbesondere auf dem Anwendungsgebiet handgeführter Powertools mit hoher Leistungsfähigkeit und gleichzeitig geforderter guter Ergonomie. Zudem verfügten zum Startzeitpunktes des Vorhabens Konstrukteure über keine ganzheitlichen und interdisziplinären Leichtbauansätze und Bilanzierungstechniken zur Umsetzung recyclinggerechter Hybridbauteile. Es erfolgte bei der Prozess- und Bauteilentwicklung keine direkte Einbeziehung von ökologischen Aspekten. Zwar ist die Ökologie bzw. deren Potentiale zur Einsparung der Rohstoffe und Reduzierung der Emission von Treibhausgasen theoretisch bekannt gewesen, jedoch wurden bis dato die Wirkzusammenhänge noch nicht ausführlich bewertet und insbesondere hinsichtlich der Kreislauffähigkeit der verwendeten Werkstoffe in der Praxis bewertet. Hinsichtlich der Ziele der Europäischen Union zur Kreislaufwirtschaft von Kunststoffen lag zum Projektstart kein geschlossener Werkstoffkreislauf entlang der gesamten Wertschöpfungskette, von der Halbzeugherstellung (Tape sowie Granulat) über die Fertigung der Hybridbauteile bis hin zum Recycling der Bauteile vor. Es fehlten eine umfassende Werkstoffcharakterisierung entlang des gesamten Kreislaufs sowie Untersuchungen zu den Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen. Zwar sind Recyclingstrategien zur maximalen Werkstoffausnutzung auf theoretischer Ebene größtenteils bekannt, aber hier gilt es die Nachweise in den erhöhten Wertigkeiten der Werkstoffeigenschaften noch zu erbringen und ebenfalls die Praxisnähe anhand von Kreislaufversuchen anhand einer demonstrativen Anwendung zu validieren.

Begründung/Zielsetzung der Untersuchung: Übergeordnetes Ziel des Vorhabens war es eine multivariable hybride Fertigungszelle sowie einen zugehörigen Fertigungsprozess zur effizienten Erzeugung von Hochleistungs-Leichtbau Hohlprofilen mit lokaler Funktionalisierung zu entwickeln. Dabei wurde die Fertigungszelle auf werkstofflicher Ebene dazu befähigt sowohl eine 100 %-ige Werkstoffausnutzung zu gewährleisten als auch in hohem Maße recycelte Kunststoffe verschiedener Recycling-Kreisläufe zu verarbeiten. Im Kern des Vorhabens stand die Betrachtung der Zusammenführung der beiden Verfahrenstechniken des laserbasierten Thermoplast-Tapewickelns und des mobilen Spritzgießens (ROBIN - Robotised Injection Moulding). Grundsätzlich wurden durch die Betrachtung der Zusammenführung der Prozesstechniken die Potentiale der Einzeltechnologien vervielfacht und Hürden, die sich aufgrund entkoppelter Prozessschritte ergeben, überwunden.

Methode: Die Arbeitsschwerpunkte des Verbundprojektes gliederten sich in einen mehrphasigen Arbeitsplan: An eine kurze Konsolidierungsphase "Analyse und Konzeptionierung" schlossen sich die Phasen der "Entwicklung", "Demonstration" sowie zum Abschluss die Phase der "Aufskalierung" an.

Zusammengefasst ließ sich die Aufgabenstellung des Verbundvorhabens gliedern in die Aspekte:

Zusammenführung der Technologien des laserbasierten Thermoplast-Tapewickelns mit dem mobilen Spritzgießen (ROBIN) in einer multi-variablen hybriden Fertigungszelle Nutzung einer ressourceneffizienten Materialkombination auf Basis von PP für technisch hoch anspruchsvolle Anwendungen Realisierung einer 100 %-igen Werkstoffausnutzung im Prozess und der hochanteiligen Einbindung von rezyklierten Verbundkunststoffen aus End-of-Life (EoL)-Anwendungen Umsetzung eines Powertooling Demonstrators unter Verwendung nachhaltiger und recyclinggerechter Bauweisen Durchgehend digitalisierte Datenontologie und Ökobilanzierung der Prozesskette

Ergebnis: Innerhalb des Verbundprojektes wurde das weltweit erste thermoplastische Composite-Bauteil in einer hochbelasteten Powertool Anwendung realisiert - gefertigt in einem ebenfalls erstmalig realisierten Kombinationsprozess aus laserbasiertem Tapewickeln und mobilem Spritzgießen. Dies bedingte u.a. die erfolgreiche Entwicklung von gemeinsamen Steuerungskonzepten sowie übergreifenden Schnittstellen zur Datentransformation und Prozessbewertung. Darüber hinaus mussten spezifische Modifikationen der Anlagentechnik vorgenommen werden. Bei der Realisierung des Composite-Bauteils war es des weiteren Ziel, die Rohstoffeffizienz und den Leichtbaugrad zu maximieren und Methoden zur nachhaltigen und recyclinggerechten Konstruktion aufzuzeigen. Dazu wurde die Wiedereinführung des verarbeiteten Materials im Sinne eines geschlossenen Werkstoffkreislaufs am Ende des Produktlebens bewertet und erprobt. Diese Entwicklungen wurden ergänzt durch eine systematische Ökobilanzierung zur Identifizierung von Randbedingungen und essenziellen Stellgrößen zur Realisierung eines ressourceneffizienten Produktionsprozesses.

Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeiten: Durch die im Verbundprojekt aufgezeigte Kombination unterschiedlicher Halbzeuge in Hybridstrukturen ergeben sich völlig neue Möglichkeiten zur Nutzung der materialspezifischen Eigenschaften der einzelnen Werkstoffpartner. Es eröffnen sich neuartige und materialangepasste Prozesskombinationen, die ein enormes Potential zur Gestaltung von struktur- und funktionsintegrativen Leichtbau-Tragrahmenstrukturen mit hoher Bauteilkomplexität bieten. So können bspw. verschiedene thermoplastische Funktionselemente, wie etwa lokale Versteifungen, Inserts, Verbindungselemente oder Dichtelemente direkt auf einer Grundstruktur appliziert werden, wodurch aufwendige nachgelagerte Montageschritte entfallen.

Die so im Verbundprojekt realisierte Composite Hybrid Bohrkrone markiert diesen Innovationssprung. Sie erschließt einen etablierten Massenmarkt mit einem in drei Dimensionen überlegenen Ansatz: Sie verschleißt bis zu zehnmal langsamer als Stahl, ist 30-40 % leichter und schließt ihren Materialkreislauf vollständig. Jeder dieser Vorteile allein wäre marktrelevant - zusammen adressieren sie die zentralen Schmerzpunkte des professionellen Anwenders in Bau, Bergbau und industrieller Instandhaltung gleichzeitig: weniger Werkzeugwechsel, erleichtertes Handling bei handgeführten Maschinen und nachweislich niedrigere Betriebskosten. Die in den Versuchen bestätigten Ergebnisse bilden eine belastbare Grundlage für die Markteinführung und unterstreichen die wirtschaftliche Tragfähigkeit des Konzepts. Darüber hinaus ist die entwickelte Prozesskombination nicht auf Bohrkronen beschränkt: Überall dort, wo hohle, rotationssymmetrische oder profilförmige Leichtbaustrukturen mit lokaler Funktionalisierung gefragt sind - in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt oder im Verteidigungsbereich - bietet die Hybridprozesskette direktes Übertragungspotenzial. Die nachgewiesene Rückführbarkeit von Produktionsabfällen in den Fertigungskreislauf senkt dabei Materialkosten und Carbon Footprint und erhöht die wirtschaftliche Attraktivität für eine industrielle Skalierung weiter.