Ziel der Entwicklung

Um eine wirtschaftliche Fertigung zu ermöglichen, benötigt die Prozesskette zur Herstellung von großvolumigen Kunststoffverbundteilen integrierte und automatisierte Fertigungstechnologien mit durchgehend hoher Qualität, Zuverlässigkeit und Sauberkeit. Ein wichtiger und aufwändiger Arbeitsgang in dieser Prozesskette ist das Besäumen der Rohteile an den Umrisslinien und das Ausschneiden von Durchbrüchen bei Materialdicken von 1 bis 5 Millimeter. Derzeit eingesetzte gängige thermische Trennverfahren wie das Laserschneiden bzw. Verfahren der mechanischen Bearbeitung, wie das Fräsen, liefern keine zufriedenstellenden und vor allem wirtschaftlichen Ergebnisse. Verfahrenstechnische Probleme beinhalten beispielsweise Verbrennungen der Schnittkanten beim Laserschneiden, unbefriedigende Schneidleistungen bei hoher Staubbelastung beim, Fräsen und generell hohe Investitions- und Betriebskosten. Es besteht somit ein starkes Interesse an alternativen Fertigungsverfahren und -ausrüstungen. Einen zielführenden Ansatz bietet hier das Hochdruckwasserstrahlschneiden infolge seiner Wirtschaftlichkeit und verfahrenstechnischen Vorteile bei möglichen Schneiddicken bis zu
100 Millimeter und hoher Werkstoffflexibilität. Das Reinwasserstrahl-schneiden ermöglicht die Bearbeitung relativ weicher Werkstoffe wie Textilien, Holz, Styropor, Gummi und teilweise Kunststoffe, mittels Abrasivwasserstrahlschneiden können nahezu alle Werkstoffe geschnitten werden. Ein wesentlicher Nachteil des Abrasivwasserstrahlschneidens besteht in der Verunreinigung des Werkstücks durch sedimentierte Abrasivpartikel. Die Zielsetzung des FuE-Vorhabens besteht deshalb in der Entwicklung eines Wasserstrahlschneidverfahrens, welches die Vorteile des Rein- und Abrasivstrahlschneidens in sich vereint. Als Ergebnis der Forschung und Entwicklung soll ein kontaminations- und verschmutzungsfreies Trennen mit hoher Schneidleistung bei gleichzeitig hoher Schneidqualität realisiert werden, wodurch die prozesstechnische Lücke zwischen beiden Wasserstrahlschneidverfahren geschlossen wird. Erreicht werden soll die Zielstellung durch eine kryogene in situ Generierung flüchtiger Abrasivmittel (Eiskristalle) während des Schneidprozesses.

Vorteile und Lösungen

Das im Projekt erarbeitete und umgesetzte Verfahren sowie die entsprechende Prozesstechnologie bilden die Basis für eine umfassende, flexible und erheblich zeit- und aufwandreduzierte Entwicklung von Applikationslösungen im Bereich des rückstandsfreien Abrasivstrahlschneides.
Die wesentlichen Vorteile dieses neuen Verfahrens bestehen in: höheren Schneidleistungen im Vergleich zum Reinwasserstrahlschneiden bei erhöhter Schnittqualität im Vergleich zum Reinwasserstrahlschneiden, vergleichbaren Schneidleistungen zum konventionellen Abrasivschneiden bei einer kontanminationsfreien Werkstückbearbeitung sowie dem Wegfall der Beschaffung, Lagerung und Entsorgung von Abrasivmittel und damit wesentlichen Kostenreduzierungen im Vergleich zum Abrasivstrahlschneiden mit Korundsand/ Bezug auf Umweltaspekte des Prozesses (einfache Filterung der Schneidabprodukte aus dem Prozessmedium, kein aufwendiger Transport von Abrasiven - Import aus Asien oder Australien) und der ständigen Verfügbarkeit des Abrasivs./ Verbesserte Schnittqualität bei Faserverbunden im Vergleich zum Reinwasserstrahlschneiden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das im Projekt erarbeitete und umgesetzte Verfahren sowie die entsprechende Prozesstechnologie bilden die Basis für eine umfassende, flexible und erheblich zeit- und aufwandreduzierte Entwicklung von Applikationslösungen im Bereich des rückstandsfreien Abrasivstrahlschneides. Somit ist es möglich, mit den gewonnenen Kenntnissen den Markt neuer Leichtbaukonzepte zu erschließen und die Technologiekompetenz in KMU zu transferieren, die sich bisher nicht oder nur randständig mit diesen Themen befasst haben. Die Projektergebnisse ermöglichen somit einen Ergebnistransfer, der vor allem kleine und mittlere Betriebe des Maschinen- und Werkzeugbaus sowie der Automobil-Zulieferindustrie befähigen wird, ihre Marktposition weiter auszubauen. Haupteinsatzgebiete der Prozess- und Anlagentechnologie des rückstandsfreien Abrasivwasserstrahlschneiden mit Eispartikeln werden sein:
Zuschnitte und Besäumungen von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen im Bereich des Fahrzeugbaus (Karosserie- und Interieurkomponenten, Fahrzeugsicherheitskomponenten, Verbundtextilien) / Form- und Trennschnitte in der Medizintechnik (Implantate, Gerätetechnik) / Form- und Trennschnitte für die Verpackungsindustrie / Form- und Trennschnitte für die Textilindustrie / Schneiden von Lebensmittel (Fleischzuschnitte).
Als Endkundenmarkt ist im ersten Schritt der Fahrzeugbau zu definieren. Es wird eingeschätzt, dass der Druck zu neuen Leichtbauweisen kurz- und mittelfristig massiv steigen wird. Ursache sind die politischen und gesellschaftlichen Entwicklungen. Dabei ist es nachrangig, wie schnell sich in welchem Umfang Elektrofahrzeuge durchsetzen werden. Die Forderung nach Gewichts-reduktion steht unabhängig vom Antriebskonzept bei allen Fahrzeugtypen.
Perspektivisch stehen die Märkte der Verpackungsindustrie mit ihrem hohen Kunststoffanteil sowie die Branche der Medizintechnik im Fokus.
Direkter Zielmarkt ist der Ausrüstermarkt, welcher Anlagen für die in den benannten Endkundenmärkten tätigen Produzenten bereitstellt. Die Ausrüster für die Fertigung entsprechender Komponenten, Baugruppen und Module sind die Maschinen- und Sondermaschinenbauer. Die moderne Produktion in den Hochlohnländern steht ständig vor der Herausforderung, die Technologieführerschaft zu erhalten und weiter auszubauen. Es liegt im nationalen Interesse einer modernen Industrienation wie Deutschland, führender Exporteur moderner Produktionstechnik zu bleiben, aber auch Produktionsarbeitsplätze im Inland zu erhalten. Produktionstechniken, die sich in den Hochlohnländern etablieren und längerfristig behaupten, zeichnen sich durch eine hohe Wertschöpfung bei niedrigen Lohnkostenanteilen an den Gesamtkosten aus. Für die Hochlohnländer bedeuten derartige Produktionstechniken einen Schritt in Richtung Auflösung der Dichotomien Scale-Scope und damit zum Erhalt von qualifizierten Arbeitsplätzen, nicht nur bei Ausrüstern, sondern auch bei Serienproduzenten. Der deutsche Maschinenbau, als eine wesentliche Zielgruppe des ITW, hat sich auch im vergangenen Jahr trotz zunehmend verschärftem Wettbewerbsdruck behauptet.
Der Bedarf an Leichtbaustoffen seitens der OEMs und Komponentenhersteller beschleunigt die Nachfrage nach Kunststoffen für den Automobilbau in Europa. Insgesamt zeigt sich ein deutlicher Trend es in der Automobilindustrie, Metall durch leichtgewichtigere und kostengünstigere Kunststoffe zu ersetzen. Für Kunststoffverbunde, speziell faserverstärkte Kunststoffe wurde dabei ein hohes Innovationspotenzial definiert. So sind FVK etwa 40 Prozent leichter als Aluminium und bis zu 80 Prozent leichter als Stahl. Des Weiteren beinhaltet die Möglichkeit, mittels einer Orientierung der Fasern die Zug- oder Druckfestigkeitsanforderungen von Bauteilen insbesondere in der Anwendungsbranche Fahrzeugbau zu optimieren. Der Ersatz manueller Zwischenschritte durch automatisierte Produktionstechnik soll in diesem Zusammenhang nicht nur Chancen zur Lösung des Kostenproblems bieten, sondern auch hohe Potentiale für Maschinenzulieferer erschließen.