Fortgeschrittenes Robotisches Spritzgießen für funktionalisierte Composite-Komponenten

Anybrid GmbH (Dresden, Deutschland) ist ein Spin-off des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) an der TU Dresden. Das ILK arbeitet mit der Industrie an neuen Leichtbautechnologien, mit Fokus auf faserverstärkte Polymer-Composites. „Wir haben diese robotergestützte Spritzgießmaschine vor zwei Jahren für die Herstellung hybrider Komponenten entwickelt“, sagt Michael Stegelmann, Chief Commercial Officer bei Anybrid. Hybride Komponenten bezeichnet das Funktionalisieren einer Struktur – beispielsweise eines Composite-Rohrs oder eines Metall-E-Auto-Chassis – mit spritzgegossenem Kunststoff, um lokale Anbindungspunkte, Versteifungsrippen etc. zu schaffen.

Dieser Prozess, als Überformen oder Hybrid-Spritzgießen bezeichnet, hat in den letzten 5-6 Jahren viel Aufmerksamkeit gewonnen, jedoch in traditionellerer Form – Stahlformen in einer Spritzgießpresse mit angebauter Spritzeinheit. Anybrid hat dieses Setup im Wesentlichen miniaturisiert in den rot-schwarzen, C-förmigen Endeffektor, der auf dem Kuka-Roboter im Bild oben und Video unten zu sehen ist. Das Ergebnis ist revolutionär: Pultrusionen oder Extrusionen können beim Austritt aus der Form überformt werden, oder große Strukturen können entlang einer Montagelinie funktionalisiert werden.

ROBIN

ROBIN, kurz für „robotized injection molding“, wurde 2019 auf der K-Messe in Düsseldorf vorgestellt. „Wir gründeten dann letztes Jahr das Unternehmen und arbeiten nun mit Kunden an der Etablierung von Pilotproduktionslinien mit der Ausrüstung“, sagt Stegelmann. Das Konzept, erklärt er, ist die Reduktion der Masse der Spritzgießmaschine durch kleine Spritzeinheiten und kompakte, kostengünstige Formwerkzeuge, die schnell getauscht werden können.

„Der ROBIN-Endeffektor besteht aus einem C-Rahmen aus Carbonfaser-Composite, außen ist ein Aluminiumrahmen zu sehen“, erläutert Stegelmann. „Der Rahmen enthält das leichte Verriegelungssystem, das bis zu 12 Tonnen Schließkraft während des Spritzgießens handhabt, von der Ober- zur Unterseite der Form gebracht. ROBIN kann auch über 1 Meter Kragarm über große Strukturen reichen. Das ist unser Know-how innerhalb des ILK – wie man Carbonfaser und Leichtbaumaterialien richtig einsetzt.“

Der traditionelle Spritzgießansatz erfordert große Pressen und teure Formwerkzeuge, was ihn auf Großserien-/Hochvolumenproduktion beschränkt. Im Gegensatz dazu ermöglicht ROBIN die Fertigung kleiner Serien oder mehrerer, unterschiedlicher Überformungen an größeren Bauteilen. „Das Prinzip ist, dass wir eine solche Flexibilität in den Maschinen haben, dass wir fast jedes Composite-Material oder jede Struktur funktionalisieren können“, merkt Stegelmann an.

„Wir versuchen, die Formgröße zu minimieren, um Kosten zu senken, sodass man nur einige tausend Euro für den Formbau braucht“, erklärt Stegelmann. „Das ermöglicht ein integriertes Schnellwechselsystem, da nur ein kleiner Formbereich getauscht werden muss. Die Idee: Eine Montagelinie mit Möglichkeit, schnell die Form zu wechseln und ein anderes Teil auf zwei verschiedenen Seiten der Linie zu fertigen. Man kann entweder zwei ROBIN-Systeme oder ein ROBIN-System mit schnellem Formwechsel nutzen. So hat man hohe Flexibilität.“

Diese Größenreduktion begrenzt den Bereich, der überformt werden kann. „Aktuell sind wir auf 50-60 Gramm Spritzgießvolumen limitiert“, sagt Stegelmann. „Wir entwickelten ROBIN auf nur 140 kg Gewicht, was den Einsatz kleinerer, erschwinglicherer Automatisierung ermöglicht. Wir fokussieren uns derzeit auf Funktionalisierung von Rohren und Profilen und das Hinzufügen kleinerer Elemente zu größeren Strukturen.“

Gute Haftung beim Überformen erreichen

„Das ist eigentlich unser Hintergrund“, sagt Stegelmann, in Bezug auf Anybrids vier Co-Founder. „Wir machten das in vielen Projekten in den letzten 10-15 Jahren, verschiedene Materialien kombinieren und die richtige Haftung finden. Ich promovierte über Extrusionsprozesse, und es ist immer herausfordernd, verschiedene Materialien zu kombinieren. Man braucht immer zusätzliche Vorbereitung für die Haftung wie Plasmaprozess oder Laserprozess, um die Oberflächenstruktur zu verändern, besonders beim Verbinden von Kunststoff oder verstärktem Kunststoff auf Metall. Composites sind etwas einfacher, weil man die Polymermatrix im Spritzgießmaterial und im Substrat anpassen kann.“

Beispielhaft beim gezeigten überformten Rohr lieferte Mitsui Chemicals Europe (Düsseldorf, Deutschland) carbonfaserverstärktes Polypropylen (PP) UD-Tapes, INOMETA (Herford, Deutschland) fertigte daraus Composite-Rohre, die Anybrid dann überformte. „Die Funktionalisierung war dasselbe Material wie die Rohre“, sagt Stegelmann. „Wir überformten es mit sowohl unverstärktem als auch carbonfaserverstärktem PP-Material, aber auch mit Glasfaserverstärkung. Mit ROBIN kann man mit jedem auf dem Markt erhältlichen thermoplastischen Material fertigen.“

Daher unterstützt Anybrid Kunden bei Tests. „Wir bekommen Kunden, die unsicher sind, ob ihre Materialien miteinander haften“, merkt Stegelmann an. „Wir bitten sie, uns etwas Material zu senden, und wir bauen kleine, einfache Strukturen zum Testen. Wir haben eine kleine Form für einen Versteifungsrip, den wir auf verschiedene Platten spritzgießen können. Beispiel: Kunde sendet Composite-Plattenproben, wir überformen diese mit seinen Spritzgießmaterialien. Das ist der erste Schritt: Machbarkeitsstudie des Haftverhaltens verschiedener Materialien. Danach können wir Analysen durchführen und Optimierungsvorschläge machen.“

Potenzielle Anwendungen

„Wir erforschen noch Anwendungen, arbeiten aber initial mit Rohren und Profilen“, sagt Stegelmann. „Eine Idee ist, sequenziell verschiedene Strukturen auf diese kontinuierlichen, potenziell sehr langen Formen zu bringen. So können Elemente direkt auf Rohre appliziert werden. Solche Konzepte werden bereits von INOMETA und Herone (Dresden, Deutschland) genutzt, um axiale Verbindungssysteme und formschlüssige Zahnräder zu integrieren. Das könnte auch in der Luftfahrt interessant sein, wo verschiedene Steifigkeitserhöhungen und vielleicht Anbindungsfunktionen nötig sind. Auch bei Stringern oder Rahmen mit vielen Längenvariationen: Mit unserer Technologie kann man hohen Automatisierungsgrad beibehalten und nur die funktionalisierten Elemente von Teil zu Teil variieren.“

„Es gibt auch Potenzial bei großen Bauteilen“, sagt Stegelmann. „In den letzten Jahren am ILK entwickelten wir viele verschiedene Hybridkomponenten mit Stahl, Kunststoff und Composites. Wir sahen, dass überformte Clips an Strukturrahmen und Chassis für Montage Sinn machen. Mit dem Wandel zu E-Fahrzeugen und Wasserstoffsystemen ist es wichtig, Montagelinien und -prozesse so flexibel wie möglich zu gestalten, um auf eine Vielzahl unterschiedlicher zukünftiger Komponenten vorbereitet zu sein. Mit ROBIN kann man lokale Verstärkungen für Montage einfach anpassen, aber auch für Steifigkeit der Struktur. Wir wollen diese Fähigkeit aber über Automotive und Aerospace hinaus ausdehnen. Unsere Idee war, dies für kleine Unternehmen erschwinglicher zu machen und Hybridtechnologie für kleinere Stückzahlen in anderen Bereichen und Anwendungen zu ermöglichen.“