Ziel der Entwicklung

Die zunehmende Verbreitung faserverstärkter thermoplastischer Verbundwerkstoffe – insbesondere im Fahrzeugbau, Leichtbau sowie im Bauwesen – stellt neue Anforderungen an die automatisierte Weiterverarbeitung. Insbesondere der präzise, prozesssichere Zuschnitt von Bauteilkonturen aus bahn- oder plattenförmigen Halbzeugen ist bislang häufig nicht automatisiert gelöst. Die bestehende Technik ist meist langsam, unflexibel oder zu personalintensiv für größere Stückzahlen.
Aus der Industrie – insbesondere von Maschinenbauern und Anwendern thermoplastischer Halbzeuge – kamen klare Impulse zur Entwicklung eines durchsatzstarken, kontinuierlich arbeitenden Zuschnittsystems mit automatischer Bauteilerkennung und Handhabung. Ziel war es, die Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich zu erhöhen, die Schnittqualität zu verbessern und die Integration in automatisierte Fertigungslinien zu ermöglichen.
Das Projekt sollte diese Lücke durch die Entwicklung einer modularen, kontinuierlich arbeitenden Konfektionierungsanlage schließen. Die Verarbeitung von Bahn- oder Plattenware, eine zuverlässige Trennung entlang der Bauteilkontur (auch bei aufgebrachten Tapestrukturen) sowie eine hohe Flexibilität und Reproduzierbarkeit standen im Fokus.
Die Anlage sollte sowohl als Stand-Alone-Lösung als auch inline in bestehende Prozessketten integrierbar sein.
Das Projektziel bestand somit in der Bereitstellung einer wirtschaftlichen und industrietauglichen Lösung für die automatisierte Konfektionierung komplexer Faserverbundbauteile.

Vorteile und Lösungen

Thermoplastische Faserverbundbauteile bestehen aus einer Kunststoffmatrix (z. B. Polypropylen oder Polyamid), die mit besonders festen Fasern wie Glas- oder Carbonfasern verstärkt sind. Derartige Werkstoffe finden zunehmend Einsatz im Fahrzeugbau, in der Luftfahrt und im Bauwesen – dort, wo hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gefragt ist.
Das Problem:
Diese Materialien sind nicht nur zäh und schnittfest, sondern liegen häufig in komplexen Geometrien vor, beispielsweise in Form von Bauteilen mit aufgebrachten Verstärkungstapes. Das manuelle Zuschneiden ist zeitaufwendig, ungenau und wirtschaftlich nicht sinnvoll. Bestehende automatisierte Systeme sind häufig nicht flexibel genug, um auf unterschiedliche Materialien oder Bauteilgeometrien zu reagieren.
Der Lösungsansatz:
Entwickelt wurde eine modulare Versuchsanlage, die alle erforderlichen Teilschritte (Materialzufuhr, Bauteilerkennung, Zuschnitt und Handhabung) automatisiert und aufeinander abgestimmt umsetzt. Dabei wurde auf folgende Technologien gesetzt:
1. Kontinuierlicher Warentransport: Das Halbzeug (entweder von Rolle oder als Platte) wird automatisiert in die Anlage eingeführt. Ein spezielles Fördermodul sorgt für gleichmäßigen und positionsgenauen Vorschub.
2. Rotatives Trennsystem: Statt herkömmlicher Schnittverfahren (z. B. Fräsen oder Stanzen) wurde ein rotierendes Werkzeugsystem entwickelt. Dieses besteht aus einer oberen Werkzeugwalze mit eingebrachten Schneidkonturen und einer unteren elastischen Gegenwalze. Durch diese Bauweise lässt sich das Material kontinuierlich und mit hoher Präzision entlang komplexer Konturen durchtrennen – auch bei faserverstärkter Struktur.
3. Automatisiertes Bauteilhandling: Nach dem Trennvorgang erfolgt eine automatische Separierung
des fertigen Zuschnitts vom Restmaterial. Ein Handlingmodul übernimmt die Vereinzelung und Sortierung, sodass die Zuschnitte direkt weiterverarbeitet oder geprüft werden können.
Vorteile der entwickelten Lösung:
4. Skalierbarkeit: Die Anlage kann mit unterschiedlichen Materialbreiten und -dicken arbeiten und ist damit für vielfältige Anwendungen geeignet.
5. Prozesssicherheit: Der kontinuierliche Ablauf minimiert Stillstandszeiten und reduziert Bedienereingriffe.
6. Hohe Schnittqualität: Die entwickelte Schneidtechnik ermöglicht saubere, nicht ausfransende Schnittkanten – ein wichtiges Qualitätsmerkmal in der Weiterverarbeitung.
Zusammenfassung:
Die entwickelte Lösung stellt einen neuartigen Ansatz zur effizienten und präzisen Verarbeitung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen dar. Der modulare Aufbau, die robuste Technik und die hohe Anpassungsfähigkeit machen das System sowohl für Einzelfertiger als auch für industrielle Serienanwendungen attraktiv.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die entwickelte kontinuierlich arbeitende Konfektionieranlage adressiert die steigenden Anforderungen an automatisierte und wirtschaftliche Verarbeitungstechnologien für faserverstärkte thermoplastische Kunststoffe. Als Zielgruppen gelten insbesondere Unternehmen der Leichtbau-, Mobilitäts- und Kunststoffindustrie, die hochfeste Bauteile aus faserverstärkten Halbzeugen fertigen oder weiterverarbeiten.
Zielgruppen im Einzelnen:
1. Maschinenbauunternehmen mit Spezialisierung auf Verarbeitungslinien für Composite-Materialien, die die entwickelte Technologie in eigene Systemlösungen integrieren können.
2. Zulieferer der Automobil-, Luftfahrt- und Bahnindustrie, die Großserienbauteile aus faserverstärkten Thermoplasten herstellen und dabei auf durchsatzstarke, präzise und automatisierbare Zuschnittverfahren angewiesen sind.
3. Hersteller technischer Textilien und Organobleche, die an neuen Verarbeitungslösungen für ihre Produkte interessiert sind.
4. Andere Forschungseinrichtungen und Entwicklungsabteilungen, die auf flexible, experimentierfähige Anlagen zur Untersuchung von Materialverhalten und Prozessparametern zurückgreifen möchten.
Internationale Relevanz:
Der weltweite Trend zu nachhaltigem Leichtbau und CO₂-Reduktion im Transportsektor treibt die Nachfrage nach Faserverbundlösungen auch außerhalb Deutschlands massiv an (insbesondere in Europa, Nordamerika und Asien). Viele internationale Unternehmen suchen derzeit nach Lösungen, um die Verarbeitung dieser Werkstoffe zu automatisieren und zu standardisieren. Die entwickelte Technologie bietet hierzu einen konkreten Einstiegspunkt.
Mehrwert für Anwender:
1. Produktionsseitig profitieren Anwender von reduzierten Taktzeiten, reproduzierbarer Schnittqualität und geringerem Ausschuss.
2. Wirtschaftlich resultieren Einsparungen bei Personalaufwand, Nachbearbeitung und Materialverlusten.
3. Technologisch können komplexere Materialkombinationen und Geometrien sicher verarbeitet werden – auch bei variierenden Produktchargen.
Transfer in die Anwendung:
Der Wissenstransfer erfolgt über mehrere Kanäle:
1. Kooperationsprojekte mit Industriepartnern, bei denen auf Basis des entwickelten Konzepts kundenspezifische Lösungen umgesetzt werden.
2. Demonstration der Versuchsanlage im Forschungsumfeld und auf Fachmessen zur Vorstellung der Technologie gegenüber potenziellen Anwendern.
3. Lizenzierung und Know-how-Transfer an Maschinenbauunternehmen oder Integratoren, die über das nötige Markt- und Produktionsumfeld verfügen.
4. Wissenschaftliche Publikationen und Vorträge, mit denen Erkenntnisse aus dem Projekt der Fachwelt zugänglich gemacht werden.
Wirtschaftliche Effekte für die Einrichtung:
Für das durchführende Forschungsinstitut ergeben sich mehrere strategische Vorteile:
1. Erhöhung der Sichtbarkeit im Themenfeld automatisierte Faserverbundverarbeitung.
2. Stärkung bestehender Partnerschaften sowie Gewinnung neuer Industriekooperationen.
3. Mittel- bis langfristige Umsatzgenerierung durch Auftragsentwicklung, Lizenzvergabe oder Folgeprojekte.
Anwendungsbeispiele:
Im Rahmen des Projekts konnten bereits Musterbauteile (z. B. aus unidirektionalen Tapes und Organoblechen) erfolgreich verarbeitet werden. Die Anlage wurde so konzipiert, dass eine Adaption auf unterschiedliche Materialformate (Bahn- oder Plattenware) und auf unterschiedliche Prozesse (inline oder Stand-alone) möglich ist. Dies erleichtert den Einstieg in verschiedenste industrielle Anwendungen, von der Kleinserienfertigung bis hin zur Linienintegration in hochautomatisierte Produktionsketten.