Carbonfaserkunststoff (CFK) lockt Automobilkonstrukteure zu Leichtbau-Träumen, die das Mehrgewicht von Elektroautos kompensieren. Doch wer den Umstieg zu leichtfertig angeht, riskiert Albträume.
Wie sich das Risiko mit dem richtigen CFK-Gefühl und der passenden Technik umgehen lässt, erfuhr Technikreporter Nikolaus Fecht im Allgäu von Maschinenbauer Wolfgang Grimme und seinem technischen Leiter Bernd Settele.
Herr Grimme, Ihr Unternehmen beschäftigt sich seit mehr als drei Jahrzehnten mit Maschinen zum Zerspanen von Kunststoffen und Verbundstoffen aller Art. Eine besondere Spezialität ist die Bearbeitung des Verbundwerkstoffs CFK. 2006 erhielten Sie zum Beispiel den Auftrag, CFK-Teile für den Motorrad- und Autorennsport mit dem Laser zu bearbeiten. Danach entwickelten Sie eine CNC-Fräsmaschine zur Bearbeitung von CFK-Bauteilen für die Automobilindustrie.
Wolfgang Grimme, Geschäftsführer HG GRIMME SysTech GmbH, Wiedergeltingen: Seit einigen Jahren geht der Trend ganz klar in Richtung Leichtbau. Das Material CFK hilft dabei, die neuen hohen Umweltvorgaben in der Automobil- und Flugzeugindustrie einzuhalten. Leichtere Autos und Flugzeuge verbrauchen dank CFK unter anderem weniger Treibstoff. Dieser Werkstoff gleicht ausserdem das Mehrgewicht neuer Antriebsarten – etwa von E-Autos – aus. Dieser Werkstoff besitzt zudem einige exklusive Vorteile: Mit CFK lassen sich extrem leichte Bauteile herstellen, die gleichzeitig hohe Steifigkeit und Stabilität auszeichnet.
Grimme: Beim Verarbeiten von CFK entstehen elektrische leitfähige und brennbare Stäube, die schädlich für die Gesundheit sind. Es gelang uns, Verfahren zu entwickeln, mit denen sich nahezu alle bei der Bearbeitung in einem CNC-Bearbeitungszentrum entstehenden Stäube filtern lassen. Es war uns dabei sehr wichtig, nicht nur die Maschine, sondern auch die Menschen beim Fräsen vor den Stäuben sicher zu schützen.
Gegen CFK sprechen der hohe Energieverbrauch in der Produktion, ungelöste Entsorgungsfragen und ein erst langsam an Fahrt aufnehmendes Recycling.
Grimme: Ganz klar, die Entsorgungsfrage ist nicht abschliessend gelöst. Wichtig ist es, den Stoff der Kreislaufabfallwirtschaft zuzuführen. Es gibt sehr gute Lösungsansätze: Einige Entsorgungsfirmen bieten sogar eine dokumentierte, lückenlose Möglichkeit der Entsorgung an. Aktuell kann etwa die Hälfte des Ausgangsmaterials wiederaufgearbeitet werden. Das reicht noch nicht aus. Die Forschung entwickelt gerade Technologien, um das Material sortenrein zu trennen. Ich bin mir aber bei den eindeutigen Vorteilen sicher, dass es schon bald noch bessere Lösungen gibt. Denn mit zunehmendem CFK-Einsatz wachsen ja auch Erfahrung und Know-how der CFK-Hersteller. Es lohnt sich ausserdem für viele Industrien, auf diesem Gebiet zu forschen.
Was mich auch zu Ihrer Frage zurückbringt: CFK ist ein Werkstoff, der keinen natürlichen Ursprung hat. Er verbindet allerdings viele perfekte Eigenschaften und hilft, die natürlichen Ressourcen zu erhalten. Der Verbundwerkstoff ist beispielsweise im Vergleich zu Stahl fünfmal leichter, rostet nicht und ist wesentlich robuster. Das hilft besonders der Flugzeug- und Autoindustrie, umweltschonende Varianten für Verkehr und Logistik zu entwickeln. Zudem kann man CFK ohne grossen Aufwand beliebig formen. Unterm Strich steht für mich daher fest: CFK ist ein Werkstoff, der den grünen Fortschritt massgeblich unterstützt und zu Recht als schwarzes High-Tech-Gold bezeichnet wird.
Gegen CFK sprechen der hohe Energieverbrauch in der Produktion, ungelöste Entsorgungsfragen und ein erst langsam an Fahrt aufnehmendes Recycling.
Grimme: Ganz klar, die Entsorgungsfrage ist nicht abschliessend gelöst. Wichtig ist es, den Stoff der Kreislaufabfallwirtschaft zuzuführen. Es gibt sehr gute Lösungsansätze: Einige Entsorgungsfirmen bieten sogar eine dokumentierte, lückenlose Möglichkeit der Entsorgung an. Aktuell kann etwa die Hälfte des Ausgangsmaterials wiederaufgearbeitet werden. Das reicht noch nicht aus. Die Forschung entwickelt gerade Technologien, um das Material sortenrein zu trennen. Ich bin mir aber bei den eindeutigen Vorteilen sicher, dass es schon bald noch bessere Lösungen gibt. Denn mit zunehmendem CFK-Einsatz wachsen ja auch Erfahrung und Know-how der CFK-Hersteller. Es lohnt sich ausserdem für viele Industrien, auf diesem Gebiet zu forschen.
Was mich auch zu Ihrer Frage zurückbringt: CFK ist ein Werkstoff, der keinen natürlichen Ursprung hat. Er verbindet allerdings viele perfekte Eigenschaften und hilft, die natürlichen Ressourcen zu erhalten. Der Verbundwerkstoff ist beispielsweise im Vergleich zu Stahl fünfmal leichter, rostet nicht und ist wesentlich robuster. Das hilft besonders der Flugzeug- und Autoindustrie, umweltschonende Varianten für Verkehr und Logistik zu entwickeln. Zudem kann man CFK ohne grossen Aufwand beliebig formen. Unterm Strich steht für mich daher fest: CFK ist ein Werkstoff, der den grünen Fortschritt massgeblich unterstützt und zu Recht als schwarzes High-Tech-Gold bezeichnet wird.
Grimme: Die meisten Firmen sind sich der Gefahren, die das Fräsen von CFK mit sich bringt, bewusst. Es geht bei der Beratung und Entwicklung hauptsächlich um die Details der Umsetzung. Für die enorme Staubentwicklung sind spezielle technische Lösungen nötig, die in den jeweiligen Betrieb eingebunden werden müssen. Nicht nur das CNC-Fräsbearbeitungszentrum selbst braucht einen passenden Platz, sondern auch die Absaugung. Der Schaltschrank hingegen benötigt nicht nur eine technische Lösung, um das Eindringen des Staubes zu vermeiden. Der Schaltschrank lässt sich ausserdem nicht einfach direkt neben einer CNC-Maschine platzieren. Die Stäube verursachen nämlich beim Eindringen Kurzschlüsse. Dafür braucht es nicht viel: Eine einzige Faser, die dünner als ein Haar ist, reicht aus: Dann knallt es! Alles dies berücksichtigen wir bereits bei der Planung.
Bernd Settele, Projektleiter der HG GRIMME SysTech GmbH, Wiedergeltingen: Ja und nein. Es muss ein Standard-Bearbeitungszentrum sein, das die technische Ausstattung für die CFK-Bearbeitung besitzt. Da wir die Variante für Verbundmaterial im Portfolio haben, ist es für uns definitiv ein Standard-CNC-Fräsbearbeitungszentrum – eben mit der passenden Ausstattung für die CFK-Bearbeitung. Aber auch die richtige Software-Lösung für den jeweiligen Anwendungsfall ist ein wichtiger Baustein.
Ein Beispiel aus der Praxis: Für das Fräsen von CFK-Karosseriebauteilen haben wir ein Fünf-Achs-CNC-Bearbeitungszentrum mit Schrägbett-Drehtisch entwickelt, der sich ergonomisch bestücken lässt. Sobald das Werkstück richtig auf dem Tisch sitzt, dreht er sich in der geschlossenen Fräskabine, in der das CFK-Teil bearbeitet wird.
Die Software ist hier ein zusätzliches, wichtiges Element für die Bearbeitung dieses Werkstoffs. Auf der Siemens-Steuerung Sinumerik 840D Solution Line werden Programme mit einer speziellen Frässtrategie eingefahren. Das Zusammenspiel von Werkzeugverwaltung und Ebenen-Zustellung der Schnitttiefe erhöht die Standzeit des Werkzeuges und hält die Qualität der Oberflächengüte des Werkzeuges konstant hoch. Diese Strategie tritt zusätzlich der enormen Hitzeentwicklung entgegen, die beim Fräsvorgang nur durch das Fräswerkzeug abgeleitet werden kann.
Wegen der Elektromobilisierung nimmt auch der Bedarf an Leichtbau mit CFK zu: So gewannen Sie kürzlich mehrere BMW-Ausschreibungen für den Bau einer Fünf-Achs-Gantry-Drehtisch-Fräsanlage, die im Werk Landshut Seitenrahmenteile bearbeitet.
Grimme: Wir sind führender Hersteller für die Bearbeitung von Verbundmaterialien und Kunststoffen. Die Fräsqualität ist nicht das Thema, denn dafür sind unsere Maschinen ausgelegt. Wir entwickeln seit mehr als 30 Jahren CNC-Maschinen, die eine Fräsqualität der ersten Klasse abliefern. Im BMW-Werk Landshut stehen inzwischen übrigens drei Maschinen von uns.
Settele: Die in Bearbeitungszentren eingesetzten Fräswerkzeuge unterscheiden sich massgeblich in ihrer Qualität, zum Beispiel bei der Wuchtgüte. Während minderwertige Fräswerkzeuge Schäden an der Frässpindel, eventuell hohe Reparaturkosten und Maschinenstillstände verursachen können, kommt es bei qualitativ hochwertigen Werkzeugen kaum zur Entstehung von Vibrationen und den damit verbundenen Schäden. In einem Team entwickeln wir spezielle Fräser, die perfekt für die CFK-Bearbeitung ausgelegt sind – exakt passend zu unseren Kunden und deren Anforderungen.
Eine besondere Herausforderung sind CFK-Späne und -Stäube: Wenn Sie nicht zuverlässig abgesaugt werden, drohen den Maschinenbedienern Schleimhautschäden, Lungenfibrose, Krebs oder Asthma. Bei BMW setzen sie daher auf eine neu entwickelte leistungsstarke Anlage zum Absaugen des Feinstaubs von mehreren Seiten, eine zusätzliche Mitteldruckanlage zur Filterung des Schwebstaubes sowie auf eine Abblas- und Absauganlage für den Einlegebereich.
Settele: Wir haben Standardlösungen, die wir an die Bauteilgrösse und die individuelle Fertigung des Kunden, anpassen. Zu den Standardlösungen zählt z.B. unsere CNC-Schrägbettanlage mit Drehtisch und ausgeklügelter Absaugung. Das CFK-Bauteil wird in einer abgeschotteten Maschinenkabine gefräst: Der Werker legt es ausserhalb der Fräskabine auf und betritt den Fräsraum nie während der Produktion. Der Fräsraum ist so ausgelegt, dass sich der Staub nahezu komplett absaugen lässt.
Das Absaugen geschieht bereits beim Fräsen, bevor sich der Staub ausbreiten kann. Auch die Vorrichtung ist so ausgelegt, den Staub sofort abzuleiten. Die Absaugung erfolgt durch die Fräsaufnahme unmittelbar neben und entlang der Schnittkontur. Der Fräskopf besitzt eine zusätzliche Absaugung, die den Staub ableitet, damit sich in der Kabine so wenig wie möglich CFK-Stäube verteilen.
Zusätzlich wird die Luft mit dem restlichen Schwebstaubs aus der Fräs-Kabine während der CFK-Bearbeitung abgesaugt. Diese effiziente Absaugung für Schwebstaub funktioniert mit einer Hoch- und einer Mitteldruckanlage, die verschiedene Strömungen erzeugt. Die Luft wird nach der Absaugung mit speziellen Filtern gereinigt. Sie kann wieder ins Gebäude zurückgeführt oder ins Freie geleitet werden. Die Anlage ist auf die ständige Prüfung der Filterung und den Schutz des Werkers ausgelegt. Die Absaugung besitzt eine Filterbruchüberwachung. Wenn sie versagt, sorgt ein Polizeifilter für Rückmeldung. Wir überlassen bei der CFK Bearbeitung standardmässig also nichts dem Zufall.
Settele: Die in Bearbeitungszentren eingesetzten Fräswerkzeuge unterscheiden sich massgeblich in ihrer Qualität, zum Beispiel bei der Wuchtgüte. Während minderwertige Fräswerkzeuge Schäden an der Frässpindel, eventuell hohe Reparaturkosten und Maschinenstillstände verursachen können, kommt es bei qualitativ hochwertigen Werkzeugen kaum zur Entstehung von Vibrationen und den damit verbundenen Schäden. In einem Team entwickeln wir spezielle Fräser, die perfekt für die CFK-Bearbeitung ausgelegt sind – exakt passend zu unseren Kunden und deren Anforderungen.
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Zusätzlich wird die Luft mit dem restlichen Schwebstaubs aus der Fräs-Kabine während der CFK-Bearbeitung abgesaugt. Diese effiziente Absaugung für Schwebstaub funktioniert mit einer Hoch- und einer Mitteldruckanlage, die verschiedene Strömungen erzeugt. Die Luft wird nach der Absaugung mit speziellen Filtern gereinigt. Sie kann wieder ins Gebäude zurückgeführt oder ins Freie geleitet werden. Die Anlage ist auf die ständige Prüfung der Filterung und den Schutz des Werkers ausgelegt. Die Absaugung besitzt eine Filterbruchüberwachung. Wenn sie versagt, sorgt ein Polizeifilter für Rückmeldung. Wir überlassen bei der CFK Bearbeitung standardmässig also nichts dem Zufall.
Settele: Wir erreichen dank unserer aufwändigen, mehrstufigen Absauganlage einen extrem hohen Filtergrad und Reinheit der Luft, sodass im Winter sogar die Abluft der Absauganlage in die Halle geleitet werden kann, um die Heizkosten zu reduzieren.
Settele: Wir dichten alle Kabel zum Schaltschrank separat ab und fixieren sie, um jegliche Undichtigkeiten zum Beispiel durch Kabelbewegungen auszuschliessen. Unsere speziell entwickelte Überdruckbelüftung mit Reinluft sorgt dafür, dass keine Späne oder Staub in den Schaltschrank oder Klemmkasten gelangen. Bei der Instandhaltung gilt erhöhte Vorsicht beim Öffnen der Türen. Wir schulen daher das Bedienungspersonal bei der Übergabe der Maschine.
Settele: Wir bauen unsere Schaltschränke selbst, denn es gibt keinen CFK-sicheren Schaltschrank von der Stange. Von unseren Ingenieuren stammt der bis ins letzte Detail ausgedacht CFK-Staubschutz der Schaltschränke: So sorgen wir für qualitativ hochwertige Schaltschränke für die CFK-Bearbeitung.
Settele: Aber sicher. Unsere Anlagen lassen sich direkt an die Brandmeldezentrale BMZ und an Sprinkleranlagen anschliessen.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gibt es schon lange, doch den Grossserien-Ritterschlag erhielten die Faserverbundwerkstoffe vor rund einem Jahrzehnt im BMW-Werk in Leipzig. Zum ersten Mal ging dort ein Auto in Grossserie, dessen Karosserie fast komplett aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht. Grund genug für den damaligen BMW-Produktionsvorstand Harald Krüger, von einer Revolution im Automobilbau zu sprechen. So konnte der Automobilhersteller laut Automobilwoche mit der CFK-Karosserie des i3 das Mehrgewicht der Batterie für den elektrischen Antrieb kompensieren.
Die Vorarbeit geleistet hat die Luft- und Raumfahrtindustrie, die CFK wegen des besonders geringen Gewichts, der hohen Festigkeit und Steifigkeit sowie wegen der ausgezeichneten Brandschutzwerte schätzt. Die Automobilbranche setzt CFK bisher vorwiegend in der Kleinserie, bei Prototypen oder im Rennsport ein. Doch die beiden Megatrends Elektromobilisierung und Leichtbau sorgen für ein Umdenken.
BMWs Vorstoss machte nicht nur der Fahrzeugindustrie, sondern vielen anderen Branchen Mut zum Einstieg. So steigt die weltweite CFK-Nachfrage quer durch alle Branchen mittlerweile pro Jahr um fünf bis zehn Prozent.
Grimme: Auch diese Materialen sind kein Problem, dafür haben wir bereits Lösungen entwickelt: Dabei kommt die richtig ausgestattete CNC-Fräsmaschine mit der passenden Spannvorrichtung und den richtigen Fräsern zum Einsatz.
CFK fräsen mit Absaugung und geringer Staubentwicklung. (Quelle: HG Grimme SystTech, Youtube)
CNC Gantry Fräsmaschine Universal - CNC Bearbeitung CFK, Kunststoff, Aluminium. (Quelle: HG Grimme SystTech, Youtube)
Die Krüger Aviation brauchte dringend eine Maschine für die Kunststoffnachbearbeitung. Dann fanden die Norddeutschen die 5-Achs-CNC-Gantry-Fräsanlage von HG Grimme SysTech.
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Wie Produkte im Kontext von Leichtbau und Nachhaltigkeit konzipiert und gefertigt werden können, zeigen die Aussteller der EMO Hannover an vielfältigen Beispielen.
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Der Verbindungsspezialist KVT-Fastening schlägt mit der innovativen Multimaterial-Welding-Technologie (MM-W-Technologie) entwickelte ein neues Verfahren für die dauerhafte, kraft- und formschlüssige Verbindung von Leichtbau- und Sandwichmaterialien auf.
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Der Schweizer Maschinenbau hat einen hervorragenden Ruf in der ganzen Welt. Diese Seite ist dieser grossen und wichtigen Branche gewidmet. Viele Artikel und eine interaktive Schweizer Maschinenbaukarte.
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Autor: Dipl.-Ing. Nikolaus Fecht im Auftrag der Firma HG Grimme SysTech
Bildquelle: HG Grimme SysTech
Redaktionelle Bearbeitung: Technik und Wissen
HG Grimme SysTech GmbH hg-grimme.de