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Im Takt der Autoschmieden

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Im Takt der Autoschmieden

Faserverstärkter Kunststoff ergänzt immer mehr die herkömmlichen Metalle. Doch seine Herstellung ist für die Automobilindustrie noch zu aufwendig. Das Fraunhofer IPA sucht hier nach neuen Wegen. Seine Stärke: Es erforscht den gesamten Werdegang des Verbundwerkstoffs, von der Herstellung über die Bearbeitung, die Fügetechnik und die Oberflächenbehandlung bis hin zum Recycling.

Der Autor: Dr.-Ing. Bernhard Budaker, Geschäftsfeldleiter Automotive am Fraunhofer IPA, Stuttgart

Faserverstärkter Kunststoff bringt neue Möglichkeiten, aber auch Probleme
Wegen der immer strengeren Abgasnormen und den volatilen Spritpreisen kämpfen die Autobauer um jedes Kilogramm – Leichtbau hat Konjunktur. Ein Abspecken um 100 kg spart auf 100 km immerhin rund 0,4 l Kraftstoff und vermindert die Kohlendioxidemissionen um durchschnittlich 10 g/km. Die Einführung des Elektroautos gibt dem Trend zusätzlich Schwung, weil die Karosserie auch noch den zentnerschweren Akku tragen muss. Deshalb vollzieht sich in der Automobilindustrie derzeit ein grundlegender Wandel: Schwerer Stahl, der Klassiker schlechthin in der Autobranche, wird mehr und mehr von relativ leichten Materialien ergänzt, vor allem von faserverstärkten Kunststoffen. Ein moderner Wagen besteht bereits zu rund 15 % aus Kunststoff.
Andere Branchen sind schon einen Schritt weiter. Die Luftfahrtindustrie, die noch viel mehr auf geringes Gewicht achten muss, wagt sich besonders weit vor. Die neuen Flugzeuge Boeing 787 und Airbus A 350 bestehen zu mehr als der Hälfte ihres Gewichts aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Auch die Rotorblätter großer Windkraftanlagen, die eine Länge von bis zu 80 Metern haben, sind aus Carbon gefertigt. Ohne den leichten und robusten Werkstoff könnten sie die gewaltigen Kräfte, die an ihnen zerren, gar nicht aufnehmen. Allerdings ist die Herstellung von Flugzeugen oder Windkraftanlagen nicht mit der von Autos vergleichbar. Wegen der kleinen Stückzahlen und dem geringen Kostendruck müssen die Fabriken nicht auf höchste Effizienz getrimmt werden. Es herrscht noch immer eine Art Manufaktur-Betrieb. In der Automobilindustrie regiert dagegen der Industrieroboter mit nicht zu übertreffender Präzision. Alle zwei bis drei Minuten muss ein Auto vom Band rollen, und zwar in optimaler Qualität. Solche kurzen Taktzeiten sind nur bei einer weitgehenden Automatisierung möglich.
Noch echte Handarbeit
Und hier steckt eines der größten Probleme: Faserverstärkte Kunststoffe erfordern noch immer viel Handarbeit und können deshalb die harten Anforderungen der Erstausrüster noch gar nicht erfüllen. Ein großer OEM ist zwar vorgeprescht und verkauft seinen neuen Elektrowagen mit einer kompletten Carbon-Karosserie, ähnlich wie bei den Formel-1-Boliden. Mit diesem mutigen Schritt wurde jedoch ein hohes Risiko eingegangen. Es muss noch genauer erforscht werden, mit welchen Methoden der neuartige Werkstoff bearbeitet werden kann, wie Löcher eingebracht werden und Teile miteinander verbunden werden können. Auch das Aufbringen von Lacken muss noch genauer erforscht werden. Das Fraunhofer IPA nimmt sich diesen Themen in verschiedenen Disziplinen an: Die Carbon-Karosserie-Bauteile des bereits erwähnten Elektroautos werden beispielsweise vor der Lackierung schon heute mit CO2-Düsen gereinigt, die beim Fraunhofer IPA im Bereich der Reinst- und Mikroproduktion entwickelt wurden.
Es müssen nicht immer Kohlefasern sein
Obwohl es viele verschiedene faserverstärkte Kunststoffe gibt, denkt man zunächst unwillkürlich an Carbon. Denn dieses Hightech-Material ist am leistungsfähigsten. Was Festigkeit und geringes Gewicht angeht, ist die Kohlefaser ungeschlagen. Doch beim Auto ist die teure Lösung für viele Anwendungen gar nicht nötig, für die Massenproduktion sind die Fasern noch zu teuer. Dazu kommt, dass fast die gesamte Produktion von Kohlefasern von wenigen ostasiatischen Firmen stammt, sodass Unternehmen in eine unliebsame Abhängigkeit geraten. Das Fraunhofer IPA sucht deshalb nach Alternativen, die das Importprodukt ersetzen könnten. Es experimentiert etwa mit Basalt-, Aramid- oder Glasfasern. Auch Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen, etwa aus Nanozellulose, werden erforscht. Trotz dieser Alternativen steht Carbon im Mittelpunkt. Dabei geht es etwa darum, dessen Duktilität zu erhöhen. Jeder, der ein modernes Rennrad fährt, kennt das Problem: Nach einem Sturz kann er dem Carbon-Rahmen nicht mehr trauen. Selbst wenn das teure Bauteil wie neu aussieht und keinerlei sichtbare Schäden aufweist, kann es bei der nächsten Ausfahrt auseinanderbrechen. Denn die einzelnen Schichten der Fasern könnten sich im Inneren voneinander gelöst haben, der Materialverbund, der die Festigkeit gewährleistet, könnte gestört sein. Die Stuttgarter Wissenschaftler forschen an Nanopartikeln, die dem Verbundsystem zugegeben werden, indem man sie entweder unter das Epoxidharz mischt oder die Fasern damit beschichtet. Dann zerbricht der Werkstoff bei großer Belastung nicht spontan wie Glas, sondern verformt sich zunächst wie Stahl oder Aluminium – und man kann die Gefahr mit bloßem Auge kommen sehen.
Robotersystem für schlaffe Bauteile
Nun geht es darum, den Herstellungsprozess von Carbon zu automatisieren, damit er sich für die Autoindustrie eignet. Hier steht die Forschung noch ganz am Anfang. Im Grunde müssen zwei Komponenten zusammengebracht werden: die Fasern und der Kunststoff. Einzelne Kohlenstofffasern sind bei einem Durchmesser von fünf bis acht Mikrometer zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Sie werden ähnlich wie Baumwoll- oder Seidenfasern zu Geweben oder Gelegen verarbeitet. Damit sie leichter zu handhaben und weiterzuverarbeiten sind, werden sie zudem mit Harz getränkt, man spricht dann von Prepregs. Arbeiter legen diese von Hand in eine Form und härten das Bauteil im Ofen aus. Doch diese recht beschauliche Handarbeit, wie sie bei Tennisschlägern üblich ist, eignet sich nicht für die schnelle Autobranche – zu teuer, zu langsam, zu unsicher. Dort werden die Gewebe oder Gelege direkt in eine Presse gelegt, anschließend wird Harz eingefüllt und das Bauteil härtet aus. Die große Problematik liegt in der Automatisierung der Prozesse. Robotersysteme sollen die Gewebe automatisch in die Form einlegen. Das erfordert ganz neue Konzepte, denn die Carbon-Gelege sind schlaff wie ein Bademantel.
Nun geht es in den Ofen. Auch hier wartet auf die Forscher noch allerhand Arbeit, denn derzeit dauert das Aushärten zu lange. Die Autobranche fordert Taktzeiten von weit unter drei Minuten, besser zwei Minuten – rund eine Minute schneller, als man es mit heutigen Methoden schafft. Schwesterinstitute arbeiten an der Entwicklung von thermoplastischen, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, welche eine schnellere Reaktionszeit aufweisen. Die Stuttgarter wollen den Ofen selbst verändern, damit er schneller heiß wird, und auch schneller wieder abkühlt. Sie laborieren an einer Beschichtung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die wie ein Lack aufgetragen wird und dank ihrer elektrischen Leitfähigkeit selbst als Heizung dient. Mit diesem Trick gelangt die Hitze unmittelbar zum Kunststoff, kein Bauteil wird unnötig aufgeheizt. Vielleicht geht es in Zukunft sogar noch schneller: vorstellbar sind Kohlefasern, die im Carbon stecken und selbst als Heizung dienen. Schließlich sind sie ebenfalls leitfähig.
Bearbeitung von Carbon erfordert ganz neue Werkzeuge
Kommt das Carbon-Bauteil schließlich aus der Form, lauern schon die nächsten Probleme. Jetzt geht es darum, Ränder nachzuarbeiten, Konturen zu fräsen, Bohrungen einzubringen. Eine ganze Abteilung am Fraunhofer IPA befasst sich mit der spanenden Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen und arbeitet dabei mit Unternehmen der Auto-, der Maschinenbau- und der Werkzeugindustrie zusammen. Den Wissenschaftlern macht ausgerechnet die hohe Qualität und Haltbarkeit von Carbon zu schaffen. Die führt nämlich dazu, dass die eingesetzten Werkzeuge sehr schnell verschleißen. Darunter leidet die Präzision. Doch eine vollautomatisierte Fertigung ist darauf angewiesen, dass die zweite, hundertste und tausendste Bohrung noch genauso aussieht wie die erste. Und dass der Techniker genau weiß, wie viele Meter ein Fräser arbeiten kann, bevor er ausgewechselt werden muss. Für die Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen sind deshalb nicht nur neue Werkzeuge nötig, an denen hier gearbeitet wird. Vor allem muss man Standards entwickeln, wie sie in der Metallverarbeitung gang und gäbe sind.
Ein weiteres Problem kommt hinzu: Bei der Bearbeitung von Carbon-Teilen entsteht viel Staub, der sehr aggressiv ist und den Menschen und Maschinen schadet. Die Ingenieure entwickeln eine neue Form der Absaugung, die Abhilfe leistet.
Wenn das Bauteil schließlich fertiggestellt ist, folgt die Endkontrolle. Auch hier greifen die bewährten Instrumente, wie sie beim Blech üblich sind, nicht mehr. Die größte Gefahr droht von Delaminationen, also kleinen Hohlräumen, die den Verbund zwischen Faser und Kunststoff stören. Diese Schwachstellen, die wie Sollbruch stellen wirken, sind von außen nicht sichtbar. Das Fraunhofer IPA arbeitet da ran, mehrere Verfahren marktfähig zu machen. Zur zerstörungsfreien Prüfung kommen Verfahren wie Computertomographie, Ultraschall oder Thermographie in Frage, die auch Fehlstellen im Inneren der Bauteile detektieren können. Um den Erfordernissen der Autobranche gerecht zu werden, müssen diese Verfahren nicht nur die kurzen Taktzeiten der Autobranche einhalten, sie müssen auch Fehlerfreiheit garantieren und möglichst geringe Kosten verursachen.
Fügeverfahren der Zukunft
Nun ist das Kunststoff-Bauteil fertig – eines von insgesamt 20 000 bis 30 000 Komponenten, die ein Auto ausmachen. Jetzt geht es darum, diese Einzelteile miteinander zu verbinden. Auch in diesem Arbeitsschritt stecken große Herausforderungen. Wie fügt man Kunststoff mit Metall zusammen, ohne Kontaktkorrosion zu riskieren? Wie verbindet man Kunststoff mit Kunststoff? Soll man nieten, schrauben, kleben oder reibschweißen? Das alles ist noch weitgehend offen und längst nicht so standardisiert wie das Zusammenfügen von Blechteilen. Auch mit diesen Methoden beschäftigt sich das Fraunhofer IPA. Es macht zum Beispiel das Rührreibschweißen, das bisher nur für Metalle angewandt wird, für den Kunststoff tauglich. Bei dieser Methode erzeugt ein rotierender Werkzeugkopf durch Reibung und Druck genug Hitze, um den Kunststoff verformbar zu machen, gleichzeitig rührt er den Kunststoffbrei der beiden Bauteile zusammen. So entsteht eine breite, gleichmäßige Schweißnaht. Der Vorteil: Mit dem Verrühren gelangen Fasern in die Naht und verstärken sie. Das ist beim Kleben nicht der Fall.
Oberflächenbehandlung als Schlüsselkompetenz
In unserem virtuellen Produktionsszenario ist das Auto nun weitgehend zusammengebaut. Nun muss es noch lackiert werden. Dabei soll der Lack auch technische Aufgaben erfüllen, wie vor Korrosion schützen, gegen aggressive Sonnenstrahlung immun sein, Wassertropfen abperlen lassen, leicht zu säubern sein und so weiter. Für das übliche Stahlblech haben Techniker viele optimale Lösungen gefunden – nicht aber für verstärkte Kunststoffe, die eine ganz andere Oberflächenstruktur und Chemie besitzen. Eine Abteilung beschäftigt sich ausschließlich mit Beschichtungssystemen und Lackiertechnik. Dort hat man bereits gezeigt, wie es gehen kann, etwa bei der Entwicklung von Lackierprozessen für hochwertige Kunststoffteile für Heckklappen mit der Firma SMP.
Fraunhofer IPA
Tel.: +49 711 970-3653
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