Leichtbau mit Faserverbundwerkstoffen

Holger Garbrecht, CEO der Avanco-Gruppe, zu Vorteilen von Faserverbundwerkstoffen

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Faserverbundwerkstoffe können weit mehr als nur Leichtbau, berichtet Holger Garbrecht, Vorsitzender der Geschäftsführung der Avanco GmbH in Herford, im Interview mit der KEM Konstruktion. So ließen sich etwa mechanische Eigenschaften einstellen und durch die Wahl des richtigen Faser- und Matrixwerkstoffs weitere Materialeigenschaften beeinflussen. Entscheidend sei zudem das Fertigungs-Know-how, um die so realisierbaren hochleistungsfähigen Bauteile auch in Serie herstellen zu können.

Fragen: Michael Corban, Chefredakteur, KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Herr Garbrecht, welche Rolle spielen faserverstärkte Kunststoffe (FVK) derzeit im Leichtbau und welches Potenzial sehen Sie?

Holger Garbrecht (Avanco-Gruppe): Faserverbundwerkstoffe werden in immer mehr Branchen zum Grenzenverschieber und Problemlöser – erfreulicherweise steigt dadurch die Akzeptanz für diese Werkstoffe in der Produktentwicklung. Wichtig ist zu wissen, dass es nicht nur um ‚Leichtbau‘ geht – allzu oft wird der Vorteil von faserverstärkten Werkstoffen auf die mögliche Gewichtseinsparung reduziert. Diese ist je nach Anwendungsfall natürlich der maßgebliche Treiber für den FVK-Einsatz, wird aber dem breiten Eigenschaftsportfolio bei Weitem nicht gerecht. Faserverbundwerkstoffe bieten einen schier unendlichen Designbaukasten, mit dem sich die Produkteigenschaften auf den designierten Anwendungsfall hin anpassen lassen. So kann der Konstrukteur über die Wahl des Faserhalbzeugs und der Faserorientierung die mechanischen Eigenschaften einstellen und gewichtsspezifisch deutlich höhere Festigkeiten und Steifigkeiten erreichen als mit Stahl oder Aluminium. Darüber hinaus lassen sich durch die Wahl des richtigen Faser- und Matrixwerkstoffs auch Dämpfungseigenschaften, chemische Beständigkeit, Wärmeausdehnung, Eigenfrequenz und Einsatztemperaturbereich beeinflussen. Damit aber noch nicht genug: Zusätzlich können die Komponenten durch nachgelagerte Prozesse weiter funktionalisiert werden, das reicht von einer Beschichtung zur Oberflächenfunktionalisierung bis hin zur Funktionalisierung thermoplastischer Bauteile mittels Spritzgießen. Auch die Verbindung von FVK-Bauteilen mit metallischen Komponenten kann oftmals Teil einer Leichtbaulösung sein, um das Bauteil optimal in existierende Werkstoffkonzepte einzubinden.

KEM Konstruktion: FVK müssten demnach wesentlich breiter Einsatz finden – welche Gründe verhindern das?

Garbrecht: Hemmnis für den verstärkten Einsatz von faserverstärkten Werkstoffen sind neben teils höheren Bauteilkosten und neuartigen Verarbeitungsprozessen oft die mangelnde Erfahrung mit dem Werkstoff und das limitierte Wissen über dessen Möglichkeiten. Als Zukunftstechnologie bieten aber gerade Leichtbau-Lösungen jenseits der reinen Gewichtsreduktion ein erhebliches Innovations- und Wachstumspotenzial für Anbieter und Anwender. Wir als Avanco-Gruppe können hier weltweit die Umsetzung innovativer Werkstofflösungen als kompetenter Partner für Leichtbaufragen begleiten – und damit Bedenken gegenüber nichtmetallischen Werkstoffen abbauen. Auf diese Weise lässt sich das Werkstoffpotenzial von FVK optimal nutzen.

KEM Konstruktion: Sie spielen auf Ihre Erfahrung bei der Realisierung von Druckwalzen an...

Garbrecht: ... und ganz allgemein den Leichtbau mit Aluminium- und CFK-basierten Wellen, Profilen, Walzen und Adaptern für die Druck-, Papier-, Folien- und Verpackungsmaschinenindustrie. Hier generieren Leichtbaukomponenten aufgrund ihrer Effizienz zahlreiche Wettbewerbsvorteile, für die uns unsere Kunden schätzen. So lassen sich etwa Leichtbauwalzen bei einem Produktionsstopp deutlich schneller anhalten, was den Ressourcenverbrauch durch die Reduzierung der Abfallmenge deutlich reduziert – um nur ein Beispiel zu nennen. Keimzelle der Avanco-Gruppe ist deswegen auch das 1981 von Wilfried Tappe gegründete Unternehmen Inometa. Tappe erkannte sehr früh das große Entwicklungspotenzial des Leichtbaus und sah voraus, dass auch andere Industrien wie etwa Automobilbau und Luftfahrtindustrie von der Leichtbauphilosophie enorm profitieren können. Unsere Tochtergesellschaft Xelis liefert deswegen Produkte für die Luftfahrtindustrie und Dynexa solche für die Automobilindustrie. In der Summe verfügen wir auf diese Weise über Know-how bezüglich verschiedener Produktionsverfahren für Faserverbundwerkstoffe sowie der Oberflächenveredelung und mechanischen Anarbeitung. Letztlich bieten wir die gesamte Wertschöpfungskette von der Idee bis zum fertigen Produkt aus einer Hand an.

KEM Konstruktion: Sprechen wir dabei überwiegend von Einzelbauteilen und Kleinserien?

Garbrecht: Nein – das ist der entscheidende Mehrwert: Die auch im Faserverbundbereich fortschreitende Automatisierung und Weiterentwicklung der Fertigungsprozesse ermöglicht es, nicht nur Einzelstücke in Faserverbundbauweise herzustellen. Vielmehr wurde diesen Werkstoffen damit der Weg in Serienanwendungen geebnet. Verdeutlichen lässt sich das sehr schön an einer Antriebswelle aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), die in Serie gefertigt wird. Antriebswellen in Fahrzeugen müssen das vom Motor erzeugte Drehmoment zuverlässig vom Getriebe auf die Antriebsräder übertragen. Speziell in Allradfahrzeugen und hinterradgetriebenen Pkw muss die Längs-Antriebswelle dabei eine längere Distanz bis zum hinteren Differentialgetriebe überbrücken. Klassische Metallwellen erfordern hier Zwischenlager, auf die eine CFK-Längswelle aufgrund ihrer hohen Steifigkeit verzichten kann – das senkt Gewicht und Kosten!

KEM Konstruktion: Solche Wellen lassen sich dann auch in größerer Stückzahl fertigen?

Garbrecht: Exakt – bei unserer Tochtergesellschaft Dynexa liegt deswegen einer der Schwerpunkte auf der Fertigungstechnologie in der Faserwickeltechnik. Eingesetzt werden Hochleistungsfasern und vornehmlich duromere Harzsysteme. Im Rahmen des Produkt- und Produktions-Engineerings verfolgen wir zudem einen integrativen Ansatz vom Rohmaterial über die Produktion bis hin zur Produktperformance – und setzen standardmäßig eine analytische Methode zur Multi-Parameter-Optimierung ein. So lassen sich Produktserien von Einzelstücken über Kleinserien bis hin zu großen Serien abbilden. Aktuell wurde beispielsweise eine Antriebswelle aus CFK neu entwickelt, die mit ihrem reduzierten Wellengewicht, ihrem Schwingungsverhalten, der definierten Bauteilgröße und der Drehmomentübertragung individuell an das Automotive-Antriebskonzept des Kunden angepasst ist und folgend in Serie produziert wird. Das verdeutlicht übrigens exemplarisch auch die eingangs gemachten Aussagen, dass Lösungen rund um faserverstärkte Kunststoffe deutlich mehr können als nur das Gewicht zu reduzieren.

KEM Konstruktion: Lassen Sie uns speziell auf Carbon schauen – welches Potenzial steckt in diesem Werkstoff?

Garbrecht: Er hat sicher das Potenzial, gerade in Bereichen der Mobilität Grenzen zu verschieben. Unabhängig von der Frage der Antriebskonzepte ist sicher, dass leichte und leistungsstarke Wellen aus Faserverbundwerkstoffen auch kurzfristig einen Beitrag zu Innovationen leisten können. Generell trägt Carbon durch seine Leichtbaueigenschaften, seine vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten und das Potenzial zur Funktionsintegration wesentlich zur Erreichung von Ressourceneffizienzfaktoren in Autos, Flugzeugen und anderen Anwendungen des Maschinenbaus bei. In Zukunft rechnen wir deswegen mit einem breiten Einsatz in der gesamten Leichtbauindustrie – im Automobil- und Flugzeugbau ebenso wie in der der Industrie ganz generell. Im Bereich der E-Mobilität ersetzen wir klassische Bauteile wie Motorspindeln, Rotorbandagen, Spaltrohre oder Gehäuse durch Werkstoffe mit Kohlenstofffasern (CFK) oder Glasfasern (GFK). Die hierdurch erzielten Vorteile ergeben sich im Vergleich zu Stahllösungen dadurch, dass die Bauteile wesentlich dünner gefertigt werden können und zu einer optimalen Ausnutzung des Bauraums führen. Zudem kann eine Leistungssteigerung des Motors durch den Einsatz von nichtleitender Glasfaser und hierdurch eine Reduzierung der auftretenden Wirbelströme, eine Verringerung des Gewichts und eine Dämpfung der Schwingungen erzielt werden.

KEM Konstruktion: Lassen Sie uns einen Blick auf die Luftfahrtindustrie werfen, in der Gewichtseinsparungen schon seit vielen Jahren ein Thema sind. Welche Entwicklungen sehen Sie hier?

Garbrecht: In der Tat wird hier schon seit Längerem das Gewicht über die fortschreitende Integration von FVK-Bauteilen in die Primärstruktur der Flugzeuge gesenkt. Zukünftig werden mehr als 50 Prozent der Strukturmasse moderner Flugzeuge aus faserverstärkten Kunststoffen bestehen. Insbesondere thermoplastischen Komponenten kommt dabei eine immer wichtigere Bedeutung zu. Die Möglichkeit der Bauteilherstellung ohne chemische Vernetzungsprozesse und lange Verweildauern im Autoklav machen Thermoplaste auch im Luftfahrtbereich attraktiv, um Produktivität und Stückzahlen zu steigern und Kosten einzusparen. Unter der Marke Xelis fertigen wir seit Jahren Profile für den Interieur- und Strukturbereich im eigens entwickelten CCM-Verfahren – Continuous Compression Moulding. Den Ausgangsprodukt bilden dünne, bereits imprägnierte Halbzeuge, sogenannte Tapes, die schichtweise entsprechend den mechanischen Anforderungen kombiniert und in einem kontinuierlichen Pressprozess aufgeheizt, ausgeformt und vollständig konsolidiert werden. Nach dem Abkühlen entstehen auf diese Weise aus den einfachen Tapes komplexe Profile mit quasi unbegrenzter Länge – aufgrund des kontinuierlichen Fertigungsprozesses. So lassen sich automatisiert U-, L-, T- oder Z-Profile und dank der guten Formbarkeit der FVK auch kundespezifische Spezialformen fertigen.

KEM Konstruktion: Lassen sich auch solche thermoplastischen Komponenten in Serie fertigen?

Garbrecht: Ja – vor allem mit dem thermoplastischen Wickeln für hohe Stückzahlen. In industriellen Anwendungen sind ja faserverstärkte Thermoplaste in Großserie längst etabliert und faserverstärkte Spritzgießgranulate steigern in unzähligen Anwendungen die Bauteilperformance. Zudem kommen endlosfaserverstärkte Organoblechlösungen in ersten automobilen Großserien zum Einsatz, so dass thermoplastische Tapes zunehmend für industrielle Anwendungen in Betracht gezogen werden. Motivation ist hier gerade die Erschließung hoher, bisher nicht erreichbarer Stückzahlen. Dabei hat sich die Inometa als Mitgestalter des Wandels von der Nischenanwendung in die Serienfertigung positioniert, indem sie 2018 in entsprechende Anlagentechnik des auf dem Gebiet führenden Herstellers AFPT investiert hat.

KEM Konstruktion: Können Sie das etwas näher erläutern?

Garbrecht: Beim laserunterstützten Tapewickeln werden die dünnen Fasertapes automatisiert von einem Roboter auf einem rotierenden Kern abgelegt. Dabei werden das bereits abgelegte Tape und das neu abzulegende Tape mittels Laser erwärmt und vollflächig miteinander verschweißt. Der Vorteil ist, dass das Bauteil nach dem Wickeln nicht mehr chemisch vernetzt und ausgehärtet werden muss. Diese Verkürzung der Prozesskette und der hohe Automatisierungsgrad ermöglichen die Herstellung von mehreren 10.000 bis über 100.000 Bauteilen pro Jahr. So kann die gute chemische Beständigkeit thermoplastischer Materialien in Kombination mit der geringen Wanddicke der Bauteile im Pumpenbereich neue Potenziale erschließen und Einlegeteile für Spritzgießanwendungen können in hohen Stückzahlen hergestellt werden. Auch Spezialanwendungen in der Öl- & Gasindustrie oder für Luft- und Raumfahrtanwendungen sind Teil des Leistungsspektrums. Die Positionierung der Inometa als Technologieexpertin, Entwicklungspartner und Auftragsfertiger für industrielle Anwendungen ist in diesem Bereich einzigartig.

KEM Konstruktion: Sie bieten ja Ihren Kunden an, sie von der Idee bis zur Serie zu begleiten – wie müssen wir uns diesen Prozess vorstellen?

Garbrecht: In der Regel erfolgt ein Erstkontakt klassisch über Vertrieb/Entwicklung, das Produktmanagement oder über unsere Web-Portale. Dabei gibt es innerhalb unserer Gruppe einen regen Austausch, um potentielle Kunden zeitnah mit den jeweiligen Fachspezialisten an den Standorten zu vernetzen. Ein gutes Beispiel dafür ist die oben beschriebene CFK-Antriebswelle. Gemeinsam mit unserem Kunden wurde ein für die Anwendung maßgeschneidertes Produkt entwickelt. Dabei besitzt der Kunde das vertiefte Anwendungswissen und wir das Fachwissen für den Faserverbund-Werkstoff, die Fertigungsprozesse und die Krafteinleitung in hochbeanspruchte Faserverbund-Bauteile. Neben dem Produkt als solchem ist es zudem gemeinsam gelungen, für die Herstellung einen Serienprozess zu etablieren. Das auch sehr anspruchsvollen Automotive-Kunden aufgezeigte Potential können wir nun bereits über sechs Jahre hinweg eindrucksvoll Tag für Tag auch erschließen. Effizienz, Qualitätsdatenerfassung, Rückverfolgbarkeit und Logistik waren und sind dort Kernthemen, die für uns zum Standard erhoben wurden. Standards, von denen nun weitere Automotive-Kunden und auch Kunden aus anderen Branchen profitieren.

KEM Konstruktion: Erlauben Sie uns abschließend einen Blick in Ihre F&E-Abteilung – woran arbeiten Sie?

Garbrecht: Der F&E-Aufwand in der Avanco-Gruppe ist überdurchschnittlich hoch. Dadurch sichern wir uns einen Know-how-Vorsprung und sind gleichzeitig kompetenter Ansprechpartner für Kunden, wenn es um anspruchsvolle Neuentwicklungen geht. Jeder unserer Standorte hat eine eigene F&E-Abteilung, die für ihre Kunden Produkte entwickelt. Die klassische Entwicklung von CFK- und GFK-Produkten erfüllt dabei zunehmend auch digitale Anforderungen – etwa hinsichtlich integrierter Sensorik, um etwa Leistungsdaten des Bauteils zu erfassen. Eine weitere Kernkompetenz ist das Beschichten von Bauteilen, wie beispielsweise Keramik-, Hartmetall- oder Composite-Beschichtungen. Und wenn wir über Innovationen und neue Produkte sprechen, schließt das wie beschrieben auch immer eine Optimierung des Fertigungsverfahrens mit ein. So werden bei uns Teile von Faserverbundprodukten bereits mit 3D-Druckverfahren hergestellt.

www.avanco.de

Die Branchenlösungen der Avanco-Gruppe im Überblick:

hier.pro/SRjOm

Messe K 2019: Halle 4, Stand A43


Im Überblick:

Die Avanco-Gruppe

Zur Avanco-Gruppe gehören die drei Tochtergesellschaften Inometa, Dynexa und Xelis.

Die Inometa GmbH mit Sitz in Herford entwickelt, produziert und veredelt technische Leichtbauprodukte aus Aluminium und Faserverbundwerkstoffen wie CFK und GFK. Sie ist spezialisiert auf qualitativ anspruchsvolle und innovative Leichtbau-Lösungen sowie auf die Entwicklung und Fertigung von Funktionsoberflächen. Das Produktportfolio erstreckt sich von technischen Rohren, Walzenrohren, Wickelhülsen und Bahnführungswalzen über Rasterwalzen und Druckadapter bis hin zu vielseitig einsetzbaren funktionalen Beschichtungen – insbesondere für rotierende Elemente in der Folien-, Papier-, Druck- und Verpackungsindustrie.

Inometa GmbH Planckstraße 15 32052 Herford, Deutschland Tel.: +49 5221 777-0 info@inometa.de www.inometa.de

Die Dynexa GmbH & Co. KG in Laudenbach ist spezialisiert auf maßgeschneiderte Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen wie CFK oder GFK. Der Fokus liegt auf der Integration neuer Werkstoffkonzepte aus Kohle- und Glasfaserverbundwerkstoffen in traditionelle sowie moderne Fertigungsprozesse und Anwendungen. Das Unternehmen ist damit Leichtbaupartner vor allem für die Branchen Automotive und Industrial.

Dynexa GmbH & Co. KG Dr.-Werner-Freyberg-Straße 7 69514 Laudenbach Tel. + 49 6201 29086-0 info@dynexa.de www.dynexa.de

Die Xelis GmbH am Standort Markdorf ist Partner für die Entwicklung und Produktion hochpräziser Lösungen aus Thermoplasten für die Luftfahrtindustrie. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Serienfertigung thermoplastischer Composite-Laminate und Profile mit dem eigens entwickelten Continuous Compression Moulding (X-CCM).

Xelis GmbH Robert-Bosch-Straße 5 88677 Markdorf Tel. +49 7544 93402-0 info@xelis.de www.xelis.de

  • Die Inometa GmbH mit Sitz in Herford entwickelt, produziert und veredelt technische Leichtbauprodukte aus Aluminium und Faserverbundwerkstoffen wie CFK und GFK. Sie ist spezialisiert auf qualitativ anspruchsvolle und innovative Leichtbau-Lösungen sowie auf die Entwicklung und Fertigung von Funktionsoberflächen. Das Produktportfolio erstreckt sich von technischen Rohren, Walzenrohren, Wickelhülsen und Bahnführungswalzen über Rasterwalzen und Druckadapter bis hin zu vielseitig einsetzbaren funktionalen Beschichtungen – insbesondere für rotierende Elemente in der Folien-, Papier-, Druck- und Verpackungsindustrie. 2019 ist mit dem thermoplastischen Wickeln ein weiterer Technologiebautein für den Leichtbau hinzugekommen, der neue Anwendungen und Branchen adressiert.
  • Die Dynexa GmbH & Co. KG in Laudenbach ist spezialisiert auf maßgeschneiderte Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen wie CFK oder GFK. Der Fokus liegt auf der Integration neuer Werkstoffkonzepte aus Kohle- und Glasfaserverbundwerkstoffen in traditionelle sowie moderne Fertigungsprozesse und Anwendungen. Das Unternehmen ist damit Leichtbaupartner vor allem für die Branchen Automotive und Industrial.
  • Die Xelis GmbH am Standort Markdorf ist Partner für die Entwicklung und Produktion hochpräziser Lösungen aus Thermoplasten für die Luftfahrtindustrie. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Serienfertigung thermoplastischer Composite-Laminate und Profile mit dem eigens entwickelten Continuous Compression Moulding (X-CCM).

www.avanco.de

www.inometa.de

www.dynexa.de

www.xelis.de

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