Forschungshighlights und Technologiedemonstratoren

Um die Prozessketten zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen deutlich zu verkürzen, wurden im Rahmen von MERGE Verfahrensansätze entwickelt, die das Urformen (Spritzgießen), Umformen (Tiefziehen) und Fügen in einem Werkzeug und einem Prozess vereinen. Die Untersuchung der Verfahrenskombination Tiefziehen, Spritzgießen und wirkmedienbasierte Umformung mit der Schmelze erfolgt am Beispiel eines Napfes mit integrierter Verrippung. In einem ersten Schritt wird aus einer Metallronde ein Napf tiefgezogen. Anschließend wird innerhalb desselben Werkzeugs Kunststoff durch den Werkzeugstempel eingespritzt. Der hohe Einspritzdruck führt dazu, dass die Kunststoffschmelze den Napf weiter umformt und somit ein zusätzlicher Hinterschnitt als Nebenformelement erzeugt wird.

Zahlreiche Forschungsfelder werden im Systemdemonstrator des „Chemnitz Car Concept“ (CCC) gebündelt. In Kooperation mit Volkswagen dient der „MERGE up!“ als Plattform für Test- und Demonstrationszwecke. Er repräsentiert die MERGE-Technologien als ein elektrisch angetriebenes Leichtbaufahrzeug. Sowohl Innen- als auch Außenbauteile werden als Referenzteile neu entwickelt und exemplarisch im „MERGE up!“ verbaut. Von Leichtbaukomponenten wie Sitzanlage oder Radscheibe über sensorische Module bis zum Antriebsstrang steht die Strategie der „Bivalenten Ressourceneffizienz“ im Mittelpunkt und damit Nachhaltigkeit in Herstellung und Funktionsweise der Bauteile.

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Der eigens errichtete integrale Fertigungskomplex erlaubt die kombinierte Verarbeitung von kunststoff- und metallbasierten Werkstoffen. Die Basis bildet eine Mehrkomponenten-Wendeplattenspritzgießmaschine mit 25 000 kN Schließkraft und drei Plastifiziereineiten in 0°, 90° und 180° Ausrichtung. Energiesparend, individuell justierbar und absolut neuartig in der Verfahrenskombination von Umformen und Spritzgießen stellt die MERGE-Maschine das Herzstück der Forschung der Zentralen Einrichtung dar. Die Anlage erlaubt zudem die Herstellung mikrozellular geschäumter Strukturen sowie die Kombination von Thermoplast- und Duroplast-Spritzguss.

Nachwachsende Rohstoffe in Form von Holzfurnieren oder Flachsfasergelegen werden mit biobasierten thermoplastischen Polymeren (BioPE und BioPA) zu Halbzeugen und Organoblechen verarbeitet. Zwei existierende Herstellungsverfahren - kontinuierliches Fertigen mit Faser-Bändchen-Technologie auf einer UD-Faserfolienanlage und diskontinuierliches Film-Stacking – werden an die speziellen Eigenschaften der Biomaterialien angepasst und optimiert. Die neuen Leichtbaumaterialien sollen als Funktionsbauteile im Interieur und Exterieur von PKW Anwendung finden.

In MERGE spielt die Bewertung der erforschten Leichtbautechnologien hinsichtlich ihrer Ressourceneffizienz eine große Rolle. Nur so kann evaluiert werden, ob die Einsparung von Energie und CO2-Emmissionen durch Nutzung von Leichtbaustrukturen auch während der Herstellung durch MERGE-Technologien erzielt werden kann. Eine ganzheitliche Betrachtung über den gesamten Lebenszyklus ist daher notwendig. Das Software-Tool „MEMPHIS – Multidimensional Evaluation Method for Process Chains of Hybrid Structures” erlaubt eine Analyse von Prozessen zur Herstellung hybrider Bauteile im Hinblick auf wirtschaftliche Effizienz. Betrachtet werden interne Faktoren (Parametervariationen im Prozess), aber auch externe Marktbedingungen, wie z.B. Lieferpreise. Vor allem neu entwickelte Prozesse können so untersucht und für die Großserienfertigung optimiert werden, um Kosten, Zeit und Materialien zu sparen.

Mit der kontinuierlichen Orbitalwickeltechnologie (Continuous Orbital Wrapping, COW) können komplexe rotationssymmetrische, aber erstmals auch rotationsunsymmetrische Strukturen in einem einstufigen, kontinuierlichen Prozess gefertigt werden. Ähnlich einem Tapelegeprozess rotieren in (theoretisch endloser) Reihe angeordnete Legeköpfe „orbital“ um den Wickelkörper. So lassen sich hochbeanspruchte Bereiche gezielt verstärken, konturgerechte Fadenverläufe und sehr gute Faserpositionierungen schaffen sowie Sensoren innerhalb nur eines Fertigungsschritts applizieren. Die Erfindung zum Verfahren sowie zur Anlagentechnik ist unter dem Patent DE102015009250A1 angemeldet worden.