Forschung und Entwicklung – Innovative Polyurethanfertigung für die Elektromobilität

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker, Benjamin Bride M. Sc., Dr.-Ing. Johannes Triebs, Chair of Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH

Am Chair of Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen werden Produktionstechnologien für die Elektromobilität innovativ und wirtschaftlich gestaltet. Verkürzte Produktlebenszyklen, globalisierte Märkte und umweltbewusstes Denken erfordern Flexibilität und Ressourceneffizienz, um nicht nur wirtschaftlich, sondern auch ressourcenschonend zu produzieren. Die Integration der Elektromobilität in die bestehende Automobilindustrie stellt die gesamte Lieferkette vor Herausforderungen. 

Die derzeitige Herausforderung ist, kleine Stückzahlen durch Einsatz alternativer Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen und die Anpassung der Prozesse kostenoptimal zu produzieren. Weiter müssen Produkt und Prozess zukünftig in die Produktion flexibler Stückzahlen überführbar sein. Der Gewichtsanteil der Kunststoffkomponenten beim Automobil liegt derzeit durchschnittlich bei ca. 15 % und nimmt auf Grund der vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von Kunststoff weiter zu. Insbesondere die Reduzierung des Fahrzeuggewichts durch den Einsatz von Kunststoffen ist für den Elektromobilbau von großer Bedeutung, da dieses die Reichweite des Fahrzeugs direkt beeinflusst. 

Um diese Vorteile nutzen zu können, gilt es daher, kostengünstige und flexible Produktionstechniken zu entwickeln, die eine Fertigung kleiner Losgrößen für Elektrofahrzeuge wirtschaftlich machen. Im Rahmen des Forschungsprojektes Anlauffabrik am PEM der RWTH Aachen wurde hierfür eine Umgebung geschaffen, die eine anwenderorientierte Untersuchung und Erprobung von Prozessen, Produkten und Technologien unter Realbedingungen ermöglicht.

Einen wesentlichen Teil dieser Anlauffabrik für die Elektromobilität stellt die PUR-RIM-Anlage der Fa. Isotherm dar. Die PUR-RIM Anlage umfasst ein breites Spektrum an Verarbeitungsmöglichkeiten. Die Hochdruck-Dosieranlage PSM 3000 ist ein Tandem-Kolbendosierer ausgestattet mit drei Mischköpfen und kann in Kombination mit dem Formenträger Speed MC der Fa. FILL, einer Handsprühpistole und einer Vakuumkammer betrieben werden. Die selbstreinigenden Sprüh- und Gießmischköpfe und der Einsatz verschleißfester Keramikdüsen erlauben die Verarbeitung von hochreaktiven und auf die Anforderungen zugeschnittenen PUR-Systemen mit Hochdruck-Gegenstrominjektion. Gezielt können die geforderten mechanischen oder thermischen Materialeigenschaften aber auch das Brennverhalten durch gefüllte Systeme mit bis zu 70 Gew.-% Füllstoffanteil im Polyol eingestellt werden. Insbesondere die Gießverarbeitung in der Hochvakuumkammer mit geschlossenen Werkzeugen ermöglicht die Herstellung von blasenfreien transparenten Bauteilen wie beispielsweise Front- oder Rückscheinwerfer. Des Weiteren ist die PUR-Verarbeitung durch Injizieren, Gießen in offene oder geschlossene Formen auf dem Formenträger oder das Sprühen von beispielsweise Coating-, Skinning- und Gelcoatsystemen möglich. Damit deckt die PUR-RIM-Anlage eine große Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten zur Herstellung von hinterschäumten Interieur- und biegesteifen Exterieurkomponenten bis hin zu funktionsintegrierten Bauteilen ab.
 

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Abbildung 1: PUR-RIM-Anlagen für die Fertigung von Kunststoffkomponenten am PEM

 

Die Zielsetzung ist, neben hoher Teilequalität, durch kurze Zykluszeiten und geringe Entwicklungsaufwände Kleinserien wirtschaftlich fertigen zu können. Mit dieser PUR-RIM-Anlage wurde somit eine Umgebung an der RWTH geschaffen, in der die Entwicklung und Erprobung von Sonderlösungen und kundenspezifische Prozesse abgebildet werden können. Darüber hinaus können Herstellverfahren für Prototypen bis hin zum serienreifen vollautomatisierten Produktionsprozess abgebildet und demonstriert werden.

Ferner wird im Forschungsbereich Additive Manufacturing am PEM unter Einsatz von 3D-Druckern das Rapid Prototyping und Rapid Tooling untersucht. Aufgrund der Relevanz für die Elektromobilproduktion wird der Einsatz additiv hergestellter Werkzeuge und Bauteile in den unterschiedlichen PUR-RIM-Prozessen betrachtet. Hierfür werden kunststoffbasierte Werkzeugformen 3D-Druck-gerecht gestaltet und direkt über verschiedene 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Durch zusätzliches Beschichten der Werkzeuge und die Weiterentwicklung der 3D-Druckmaterialien kann zukünftig die Standzeit weiter erhöht werden.
Die Forschungsaktivitäten werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im Rahmen des Projekts „Forschungslabor Anlauffabrik“ gefördert.

Foto_Benjamin_Bride_IMG_0028_2Benjamin Bride (M. Sc.):
- Geb. 7.8.1988 Viersen
- 5.2008 Abitur Albertus-Magnus-Gymnasium, Viersen-Dülken
- 10.2008–9.2012 Bachelorstudium Maschinenbau B. Sc., RWTH Aachen
- 10.2012–12.2015 Masterstudium Produktionstechnik M.Sc., RWTH Aachen
- Während des Studiums (seit 8.2010) tätig als Studentische Hilfskraft, am WZL und PEM, RWTH Aachen,
- Seit 2015 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am PEM (Gruppe Plastic Components und Additive Manufacturing)

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