Kunststoffverarbeitung - Bildungsportal Sachsen

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Mehrkomponenten
M hk
t Kunststoffverarbeitung
Vorlesung
g 10
Hybridbauweisen
Dipl.-Ing. Marcel Meyer
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
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Einführung und Organisatorisches
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Einführung und Organisatorisches
Zeitplan – Vorlesung (Donnerstag, 9:15 – 10:45 Uhr, Raum 2/W034)
Änderungen vorbehalten!!!
•
•
•
•
•
Grundlagen endlosfaserverstärkte Bauteile im Spritzguss
Organoblechverarbeitung
Prozessbedingungen und -ablauf
ablauf
Maschinen- und Anlagentechnik
Verbindung Metall-Kunststoff
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3
Einführung und Organisatorisches
Zeitplan – Übung (Freitag, gerade Woche, 9:15 – 10:45 Uhr, Raum 2/W034,
Halle MTC oder Halle S)
Änderungen vorbehalten!!!
Prozessgestaltung und -auslegung für konkrete Bauteilkonzepte
unter Nutzung
N
endlosfaserverstärkter
dl f
ä k
thermoplastischer
h
l
i h Halbzeuge
H lb
im Spritzguss
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Einleitung
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Gliederung
 Motivation: Leichtbau im globalen Wettbewerb
 Fertigungsverfahren: Duroplastische und Thermoplastische FKV
 Thermoplastische Halbzeuge
 Herstellungsprozess zu thermoplastischen Halbzeugen
 Verarbeitungsprozess und zugehörige Anlagentechnik
 Anwendungsbeispiele
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Motivation: Leichtbau im globalen Wettbewerb
Probleme
Steigende Energie‐
und Rohstoffpreise
Klimawandel durch Treibhauseffekt/ Erderwärmung
Masseneffizienz
Energieeinsparung
Energieeinsparung CO2‐Reduktion
Forderungen
Zusammenhänge
Emech= f(m, g, v,…)
Lösungsansätze
Materialleichtbau
Strukturleichtbau
Systemleichtbau
Integrative Leichtbautechnologien Integrative Leichtbautechnologien Kosten!
Kosten!
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Verfahrensgegenüberstellung
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Fertigungsverfahren: Duroplastische FKV
 hoher Anteil manueller Arbeiten im Fertigungsprozess für
Hochleistungs-FKV-Bauteile -> hohe Fertigungskosten und Qualitätsmängel
 das größte Einsparpotential bietet der Preforming-Prozess
 Ablösung häufig manueller Fertigungsabläufe durch Automatisierung
 wirtschaftliche Fertigungsverfahren für kleine bis mittlere Stückzahlen
Halbzeuge
Zuschnitt
Lagenaufbau
RTM
Endbearbeitung
20%
5%
Fasern
+
Gewebe/
Gelege
Herstellung
25%
50%
Kostenanteile für die Prozessschritte bei der Bauteilfertigung (Quelle: VW, SGL)
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Fertigungsverfahren: Thermoplastische FKV
 Kurze Zykluszeit
 vollständige Automatisierbarkeit
 wirtschaftliche Fertigungsverfahren für
mittlere bis große Stückzahlen
Zuschnitt  (Lagenaufbau) Thermoformen
Quelle: Handbuch Verbundwerkstoffe
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Gegenüberstellung von FKV-Fertigungsverfahren
Quelle: Volkswagen AG – Konzernforschung Werkstoffe und Fertigungsverfahren
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Zielsetzung thermoplastischer FKV-Fertigungsverfahren
Zielsetzung der Faserverbundtechnologien mit thermoplastischer Matrix:
 Entwicklung automatisierbarer, kostengünstiger Herstellungsprozesse
 kurze Zykluszeiten
g von p
preisgünstigen,
g
g , endlosfaserverstärkten,, thermoplastischen
p
 Verwendung
Halbzeugen
Forderungen:
 Reduzierung der Bauteilmasse
 bei kostenneutralen oder niedrigeren Fertigungskosten
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Thermoplastische Halbzeuge
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Thermoplastische Halbzeuge – Übersicht/Einteilung
Quelle: Wilde, D.: Thermoplaste mit gestrickten Verstärkungsstrukturen; Dissertation an der TU Clausthal, 2003
Grundlagen und weiterführende Darstellung in den Vorlesungsreihen „Textile
Verstärkungsstrukturen
Hochleistungsbauteile
Verstärkungsstrukturen“ und „Textilverstärkte
Textilverstärkte Hochleistungsbauteile“
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Thermoplastische Halbzeuge
Gelege:
undirektional
Gewebe:
Köperbdg.
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bidirektional
Leinwandbdg.
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quasiisoptrop
Atlasbdg.
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Thermoplastische Halbzeuge – Hersteller/Lieferanten
Tepex (Bond Laminates / Lanxess)
 vollimprägniertes Gewebe (Plattenform)
 Matrixsysteme: PP, PA, TPU, PPS,…
 Faserverstärkung: Glas, Kohle, Aramid
Quelle:
Q
Tepex Prod
duktbroschüre 2011
 Fasergehalt: 35-70 vol%
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Thermoplastische Halbzeuge – Hersteller/Lieferanten
Plytron (Elekon)
 vollimprägniertes UD-Band
 Matrixsysteme: PP
 Faserverstärkung: Glas
Quelle: Eleko
on AG
 Fasergehalt: 35 vol%
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Thermoplastische Halbzeuge – Hersteller/Lieferanten
Ce-Preg (Cetex)
 vorimprägnierte Rovings (UD-Band)
 Matrixsysteme: PP, PE, PA
 Faserverstärkung: Glas, Kohle, Aramid, Keramik, Basalt
Quelle: Ce-Preg Th
Q
hemoplastisches Prrepreg Broschüre 2
2011
 Fasergehalt: 50-70 m%
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Thermoplastische Halbzeuge – Hersteller/Lieferanten
Twintex (Owens Corning)
 Hybridgewebe: PP-/ Glasfilamente
 Fasergehalt: 35 vol%
Quelle: www.fiberglassindustries.com, 2012
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Thermoplastische Halbzeuge – Hersteller/Lieferanten
Celstran CFT (Ticona)
 vollimprägniertes UD-Band
 Matrixsysteme: PP, PA, PEEK, POM,…
 Faserverstärkung: Glas, Kohle, Aramid, Stahl
 Fasergehalt: ca. 40 vol%
Quelle: Ticona Produktbroschüre: Celstran 2012
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Thermoplastische Halbzeuge
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Herstellung thermoplastischer Halbzeuge
Quelle: Diss. Henninger „Beitrag zur Entwicklung neuartiger Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten“
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Halbzeugherstellung: Doppelbandpresse
 Kontinuierliche Herstellung von Plattenmaterial aus Einzelschichten
(voll- und semikonsolidiertes Schichtmaterial möglich)
 zur Herstellung von UD
UD-Folien
Folien und Organoblechen
(1) Zuführung des Materials (Fasern und Matrix -> z.B. als Folie), (2) Vorwärmen,
(3) Konsolidieren
Konsolidieren, (4) Kühlen
Kühlen,(5)
(5) Konfektionieren
Faser- und
Matrixzuführung
Konfektionierung
Quelle: Thermofix-Broschüre, Schilling-Knobel GmbH 2012
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Halbzeugherstellung : Filmstacking
 Paket aus Thermoplastfolien und trockenem Verstärkungshalbzeug (UD, Gewebe)
 Erwärmung der Thermoplastfolie über die Schmelztemperatur
p
für g
guten Verbund sein))
 ((Schlichte der Fasern und Folie sollten kompatibel
 geeignet für Kleinserien
 nachgeschalteter Prozess: Pressen des Pakets unter Druck (und Vakuum) zu Halbzeugen
 Anpassen des Laminataufbaus an spezielle Anforderungen möglich
Materialvielfalt ->
> maßgeschneiderte Eigenschaften
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Halbzeugherstellung : Pulverimprägnierung
 Herstellung der Prepregs über einen Pulverstreuprozess
 (1) Granulat- und Faserzuführung, (2) Aufschmelzen, (3) Imprägnieren unter Druck,
(4) Abkühlen, (5) Konfektionierung
Faser- und
Matrixzuführung
Quelle: Firmenbroschüre, Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH 2012
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Halbzeugherstellung : Imprägnierrad
 hochwertige Schmelzeimprägnierung von Faserrovings mit beachtlicher
Imprägniergeschwindigkeit
 Verfahren beruht auf dem Prinzip der homogenen Matrixpenetration bei der
Durchflutung zweier permeabler Medien, die aufeinander liegen
 das aufgespreizte Faserbündel wird über ein seitlich eingefasstes Sintermetallrad
mit erheblich niedrigerer Permeabilität als das Faserbündel gezogen, durch das von
gefördert wird  konstante Fließfront in radialer Richtung
g
innen die Matrix g
Quelle: Lutz, A.; Friedrich, K.: Das Imprägnierradverfahren
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Halbzeugherstellung : Schmelzeimprägnierung
chemisch oder mechanisch gebundene Faserhalbzeuge werden mit
Polymerschmelze getränkt
Schmelzezuführung über Breitschlitzdüse aus dem Extruder
Imprägnieren/Konsolidieren erfolgt in der nachgeschalteten Doppelbandpresse
Quelle: Handbuch Verbundwerkstoffe
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Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse
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Herstellungsprozess: Tapelegen
 Herstellung Halbzeugen oder Bauteilen
 Ablegen einzelner Tapes mit Legekopf
und Konsolidierungsrolle
 Jede Faserlage wird aus Einzelbahnen
aufgebaut  große Flexibilität
 belastungsoptimierte und
ondulationsfreie Faserausrichtung
 erzielbare
i lb
F
Faservolumengehalte
l
h lt
über 60%
 hoher Delaminationswiderstand
 vollautomatisierbarer Prozess
 Prozessparameter: Druck, Temperatur,
Legegeschwindigkeit
Quelle: Herstellung von belastungsoptimierten UD-endlosfaserverstärkten
Thermoplast-Bauteilen (Fraunhofer IPT)
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Herstellungsprozess FKV: Wickelverfahren
 Ablegen einzelner Tapes, Rovings, Bänder etc. auf
einem Wickelkern
 Aufheizung
g mittels Brenner,, Infrarotheizung,
g, Laser,,
Mikrowellen (ggf. Kern beheizt)
 belastungoptimiertes Ablegen der Fasern (begrenzter
Faserwinkelbereich)
 abfallfreie Fertigung
 ebene Flächen schlecht herstellbar
 automatisierbarer Prozess
 Prozessparameter: Temperatur,
Wickelgeschwindigkeit
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Herstellungsprozess FKV: Pressen
 flächige Bauteile ohne Hinterschnitte
 Endformgebung des Bauteils durch Werkzeug
 Herstellung der guter Oberflächenqualität
 Konsolidierung und Imprägnierung
 Beschnitt,
Beschnitt Einbringung von Durchbrüchen
 Prozessparameter: Werkzeug-Temperatur,
Pressdruck, Haltezeit
Quelle: Textile Werkstoffe für den Leichtbau
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Spritzguss – Verarbeitungsprozess FKV: integriert (one-shot)
Halbzeugverarbeitung
Spritzgießen
 Herstellung der Preform
 Umformen + Konsolidieren





Funktionselemente
Rippen, Dome
Randabschluss
Bauteilversteifung
…
Spritzguss
Umsetzung in einem Verarbeitungszyklus im geschlossenen Werkzeug
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Anlagentechnik: Vertikalmaschine
Verkettung der Einzelprozesse Pressen und Spritzgießen
Unterscheidung nach Hubbewegung der Schließeinheit: horizontal oder vertikal
Horizontalmaschine
Vertikalmaschine
Quelle: http://www.maplan.at/de/produkte/horizontmasch.php
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Quelle: http://www.maplan.at/de/produkte/verttop.php
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Spritzguss – Verarbeitungsprozess FKV: mehrstufig
Halbzeugverarbeitung
Spritzgießen
 Herstellung der Preform
 Umformen + Konsolidieren





Funktionselemente
Rippen, Dome
Randabschluss
Bauteilversteifung
…
Spritzguss
Umsetzung in Prozessstufen
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Anlagentechnik: komplexe Fertigungszelle
Fertigungsanlage für textilverstärkte, thermoplastische
Hybridstrukturen auf Basis der Spritzgießtechnologie
Plastifiziereinheit 2
2,
150 cm³ Schussvolumen
Plastifiziereinheit 1,
800 cm³ Schussvolumen
Vorwärmstation
(IR-Strahler/Heißluft)
Schließeinheit 2,
400 t Schließkraft
Schließeinheit 1, Presse,
100 t Schließkraft
Rundtakteinheit
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Verarbeitungsprozess
Prozesskette zur Bauteilherstellung
Schneidstation
Lege- und Fixierstation
Halbzeug (Organoblech)
Handlingsysteme
Vorwärmmodul
Presswerkzeug
Spritzgusswerkzeug
Demonstratorbauteil
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Problemfelder Verarbeitungsprozess / Prozesskette
Zuschnitt
AbfallRecycling
Aufheizen
Spritzgießen
Handling
Umformen
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Verarbeitungsprozess: Problemfeld „Zuschnitt“
 Zuschnittverfahren
 Bearbeitungsdauer
Werkzeug-Standzeit (Verschleiß)
Wasserstrahldüse
Zerstörung der Faser
 Wasserstrahlschneiden
Abfallminimierung /
 mechanische Trennen
Zuschnittoptimierung
(Säge Scherschneiden)
(Säge,
Abfall-Recycling
 Laserstrahlschneiden
 Zuschnitt-Werkzeug
Quelle: Dr. A. Bergner, Vorlesung „Faserverbundkonstruktion – Kapitel 2 Textile Halbzeuge/Hybridwerkstoffe“
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Verarbeitungsprozess: Problemfeld „Aufheizen“
 Aufheizkonzept
 Kontaktheizung
 Aufheizdauer
 Flamme
 Material-Degeneration
 IR-Heizung
 Halbzeug-Formstabilität
 Laserschnall
 Feuchtigkeit
Umluftofen
Quelle: Dr.
Dr A.
A Bergner,
Bergner Vorlesung „Faserverbundkonstruktion
Faserverbundkonstruktion – Kapitel 2 Textile Halbzeuge/Hybridwerkstoffe
Halbzeuge/Hybridwerkstoffe“
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Verarbeitungsprozess: Problemfeld „Handling“
Arten von Greifgütern:
festes Material
poröses Material
Bi
Biegeschlafes
hl f M
Material
t i l
Aufgewärmtes/klebriges Material
 Sauggreifer
Einlegeprozess
 Gefriergreifer
 Klettgreifer
 Klemmgreifer
Greifgut
 Abkühlung
 Positionierung / Fixierung
 Anhaftung
 Aufnehmen / Ablegen
 Manipulatoren
 Vakuumgreifer
 Ultraschallgreifer
 Nadelreifer
Bauteilentnahme
Entformung aus der Kavität
 Auswerferposition und -gemoetrie
gemoetrie
 Abtrennen des Anguss
 Werkzeug-Freiraum
 Abstreifer
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Verarbeitungsprozess: Problemfeld „Umformen“
Einflüsse bei der Drapierung
 Druckverteilung im Werkzeug
Scherung:
 Haftungsproblematik
 Werkzeug-Temperierung
 Pressspaltgeometrie
Werkzeugauslegung
Streckung:
„Umformung“
 Abbildung der Geometrie
Faltenbildung:
 Werkzeugbeschichtung
Elastische Faserdehnung:
 Niederhalter/Fixierung
 Einbringung von
Fasergleiten:
Funktionselementen
 Lagenverschiebung
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Gleiten:
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Verarbeitungsprozess: Problemfeld „Umformen“
Definition: Drapierung ist die Formänderung von zweidimensionalen Textilien durch Einwirkung von äußeren
Kräften oder Scherkräften bei Anpassung an eine vorgegebene dreidimensionale Geometrie (Werkzeugform).
Einflüsse bei der Drapierung
Scherung:
„Trellis Effekt“ – Durch Scherung werden die Winkel
zwischen den Faserrichtungen verändert.
 Gewebe, Geflechte, Gelege
Streckung:
Faserkrümmung (Ondulation)
ändert sich unter Zugbeanspruchung
 Gewebe, (Kettengewirke)
lokale Schubbeanspruchung
 Gewebe, Gelege
Faltenbildung:
Elastische Faserdehnung:
g
Faserelastizität (trifft auf Verstärkungsfasern nicht zu)
Fasergleiten:
Verschiebung gegeneinander(Schlupf)
 Gewebe, Geflechte, Gelege
Gleiten:
Gleiten von Faserlagen bzw
bzw. Filamenten zueinander  Gelege,
Gelege alle 3D Strukturen
Quelle: Dr. A. Bergner, Vorlesung „Faserverbundkonstruktion – Kapitel 2 Textile Halbzeuge/Hybridwerkstoffe“
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Verarbeitungsprozess: Problemfeld „Spritzgießen“
 Formfüllung (Angusspunkt)
 Einbringung von Inserts
 Korrelation Einspritzpunkt – Einlegerposition
 Generierung von Funktionselementen
 Anbindung Spritzgießmaterial an Einleger
Werkzeugauslegung
„Spritzgießen“
 Werkzeug-Temperierung
 Faserausrichtung
 Werkzeugbeschichtung
 Niederhalter
 Schieber (Generierung von Funktionselementen)
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Verarbeitungsprozess: Problemfeld „Beschnitt/Abfall“
 Beschnitt im/außerhalb Werkzeug
 Schneidprinzip außerhalb:
Wasser-/Laserstrahlbeschnitt
 Schneidprinzip innerhalb:
Stanzrahmen
 Standzeit der Schneidwerkzeuge:
Beschichtung der Schneidwerkzeuge
 Abfallentfernung -> Beschnittminimierung
 Recycling -> Spritzguss
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Anwendungsbeispiele: Lenkstockhalter
 Tepex dynalite (PA-GF)
 Organoblech (vier Lagen Köpergewebe), PA6-Matrix,
 gespritzte Rippen (PA6 GF30)
 Hergestellt im In-Mould-Forming (IMF)
 Ablauf: Übergabe (von Linearroboter zu
Knickarmroboter), Aufheizen (mittels IR), Vorformen,
Umformen (durch Schließen des
Spritzgießwerkzeuges), Hinterspritzen und
Beschneiden (mit CO2-Laser)
Laser)
Quelle: Kunststoffe 3/2011:
Leichtbauteile mit Thermoplast-Matrix
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Quelle: Siebenwurst-Newsletter 1/2011
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45
Anwendungsbeispiele
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Anwendungsbeispiele: Seitenaufprallschutz





Abfallfreie Fertigung
PA-GF, 47 vol%
20% Masseeinsparung
Nacharbeitungsfrei
FiberForm-Fertigungszelle zum Umspritzen von Organoblechen mit Linearhandling
Quelle: Kunststoffe 3/2011:
Leichtbauteile mit Thermoplast-Matrix
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47
Anwendungsbeispiele: Seitenaufprallschutz
 Herstellung „One Shot“-Verfahren
 Vertikale Spritzgussmaschine
 Linearhandling mit Greifsystem für
Bauteilzuführung und -entnahme
 IR-Heizstation
Quelle: Kunststoffe 3/2011:
Leichtbauteile mit Thermoplast-Matrix
Quelle: KraussMaffei 2012
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48
Anwendungsbeispiele: Stoßfängerträger
GF-PA6 -> Tepex Dynalite, Gewebe
Thermoformen mit Spritzguss
Masse: 4,0kg
Masseeinsparung: 7kg (63%)
Quelle: Komplexe Bauteile aus endlosfaserverstärkten
Kunststoffen großserientauglich herstellen, Bond Laminates 2010
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49
Anwendungsbeispiele: Sitzschale
 weltweit erste Autositzschale eines Serienfahrzeugs
in dieser Bauweise
 Kombination zwei verschiedener PA-Typen
im Verbund
 Masseeinsparung: 45 Prozent
 Inmould
Inmould-Verfahren:
Verfahren: Organoblech wird im
Spritzgießwerkzeug umgeformt, fixiert und überspritzt
Quelle: VDI-Konferenz: Sitzschale des Opel
p Astra OPC - Erstes Serienbauteil mit
endlosfaser-verstärktem Composite aus Ultramid
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50
Anwendungsbeispiele: Pedal
50 % Gewichtseinsparung durch den kombinierten Einsatz von Organoblech und
Spritzguss
I
Inmould-Verfahren
ld V f h
Masse: 355g
hohe Sicherheitsanforderungen
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51
Anwendungsbeispiele: Helme
Militärhelm
AF-PA -> Tepex Anti-ballistic
Kajakhelme aus CF-AF-TPU
Quelle: Bond Laminates, 2012
Quelle: Prijon-Website, 2012
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52
Anwendungsbeispiele: Sportschuh
Hybrid-Sohle in CfK/TPU mit angespritzten
Stollen
Masse: 200g
Spieler spürt keinen Stollendruck (Ergonomie)
Quelle: Komplexe Bauteile aus endlosfaserverstärkten
Kunststoffen großserientauglich herstellen, Bond Laminates 2010
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53
Anwendungsbeispiel: Trittbrett
Faser
textile 2D-Strukturen
Gelege
Thermoplast
Thermoplastische
FKV-Halbzeuge
Gewebe
Glas
PP
Kohlenstoff
unidirektional
Leinwand
PA
Aramid
PPS
Basalt
…
bidirektional
…
Köper
UD-Tapes, Organobleche
quasiisotrop
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Atlas
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54
Anwendungsbeispiel: Trittbrett
Bauteil
3D umgeformtes Organoblech
3D-umgeformtes
Tepex® dynalite PA6 + GF 4 mm Dicke
Gewebe mit Köperbindung
Im Spritzguss angeformte
Verstärkungsstruktur
PA6 + 30% Kurzglasfasern
Im Spritzguss aufgebrachte
Weichkomponente
TPE (PA optimiert)
Quelle: www.setra.de
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Anwendungsbeispiel: Trittbrett
Spritzgießsimulation als Hilfsmittel zur Bauteilentwicklung und
Werkzeugkonstruktion
Bindenähte
Füllverhalten
Einspritzdruck
p
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Anwendungsbeispiel: Trittbrett
Fertigung
Formgebung
Erwärmung
Spritzgießen 1
Spritzgießen 2
Vereinzelung
Zuschnitt
Ablegen
Textiles Halbzeug
Textilverstärktes Bauteil
Handling
Organoblech
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15.12.2016
57
Anwendungsbeispiel: Trittbrett
Anlagentechnik
Werkzeugseite 2
Wendeplatte
Werkzeugseite 1
Spritzgusswerkzeuge
Handling
Heizstation
Halbzeugbereitstellung
MehrkomponentenWendeplattenmaschine KM200/700/520
CZ WEN
Ablage
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
15.12.2016
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Anwendungsbeispiel: Trittbrett
Fertigung
(
(Video)
)
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
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15.12.2016
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Ausblick
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
15.12.2016
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Ausblick: Übung
 Termin: 16.12.2016
 Verarbeitungsprozesse  Detailbetrachtung
 Bauteilentwicklung/-konzipierung
 Werkzeugtechnische Anforderungen
 Gruppenarbeit
Schneidstation
Lege- und Fixierstation
Halbzeug (Organoblech)
Handlingsysteme
Vorwärmmodul
Presswerkzeug
Spritzgusswerkzeug
Demonstratorbauteil
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Kunststoffverarbeitung
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