Herausforderungen

Herausforderungen, die für Industrie 4.0 zu adressieren sind

Während der Einsatz von hochbelastbaren faserverstärkten Kunststoffen (FVK) unter anderem beim Bau von Luftfahrzeugen und Rotorblättern von Windenergieanlagen seit Jahren etabliert ist, stellt ihr Einsatz für tragende Strukturen in wesentlich kostensensibleren Märkten wie z. B. Automobilbau ein relativ neues Anwendungsfeld dar. Mit Naturfasern verstärkte Hybridmaterialien hingegen finden bisher in den beiden vorgenannten Bereichen ein nur geringes Anwendungsspektrum.

Im Automobilbau ist die Forderung nach Energieeffizienz (z. B. Kraftstoffersparnis) ein wesentlicher Treiber für neue Leichtbaukonzepte. Für die Übertragbarkeit der bekannten Lösungen ergeben sich vielfältige neue Herausforderungen an die Werkstoffe und die entsprechenden Fertigungstechnologien insbesondere im Hinblick auf deren Großserientauglichkeit.

  • ƒƒFür tragende Strukturbauteile geeignete endlosfaserverstärkte Kunststoffe werden derzeit im Automobilbau selten eingesetzt. Gründe hierfür sind u. a. der relativ hohe Preis der Ausgangsstoffe (z. B. Kohlenstofffaser) und die bisher noch nicht erreichbaren kurzen Taktzeiten bei der Herstellung von Bauteilen.
  • ƒƒNaturfasern bzw. Hybridwerkstoffe mit nennenswerten Anteilen an nachwachsenden Faserstoffen werden bisher primär für nicht tragendende und nicht crashrelevante Bauteile als Werkstoffe eingesetzt (bspw. Türinnenverkleidungen). Aufgrund ihres hohen Potenzials hinsichtlich Gewichtsreduktion und Kostenersparnis wird aber der Einsatz von Naturfasern aktuell stark vorangetrieben.
  • ƒƒDer Einsatz von Naturfasern bzw. Hybridwerkstoffen mit nennenswertem Naturfaseranteil für tragende Strukturen bedarf der Optimierung der mechanischen Eigenschaften und des sicheren Nachweises der geforderten Performance.
  • ƒƒDer vermehrte Einsatz von Faserverbundwerkstoffen (endlosfaserverstärkte Kunststoffe und Naturfaser-Hybridwerkstoffe) für Bauteile mit tragender Funktion erfordert neuartige großserienfähige Fertigungstechnologien. Insbesondere der Einsatz von thermoplastischen Matrixmaterialien weist diesbezüglich enormes Potenzial auf. Aber auch für kurz- und langfaserverstärkte Kunststoffe besteht zusätzliches Einsatzpotenzial.
  • ƒƒIn der Regel entstehen Faserverbundwerkstoffe erst im Bauteilherstellungsprozess aus den Grundkomponenten Faser(-halbzeug) und Matrix (Thermoplast/Duroplast). Die späteren Bauteileigenschaften werden also demzufolge entscheidend durch den Fertigungsprozess beeinflusst. Hier sind die gewünschten Eigenschaften in erheblichem Maße von den involvierten Grenzflächen abhängig. Diese werden ihrerseits durch eine Vor- oder Nachbehandlung der Oberflächen separat an das Anforderungsprofil adaptiert.
  • ƒƒBeherrschung und Monitoring sowie Qualitätsüberwachung des Herstellungsprozesses sowie der gefertigten Komponenten und Bauteile sind daher essentiell.
  • ƒƒZunehmende Funktionsintegrationsdichte aus Gründen der Ressourceneffizienz führt zu einer zunehmenden Diversität der eingesetzten Werkstoffe. Optimale Gesamtsysteme in Leichtbauweise erfordern Multi-Material- und Hybrid-Konzepte, die in Bezug auf ihre Beherrschbarkeit hinsichtlich Verarbeitung und Einsatzverhalten sehr komplex sind.
  • ƒƒKunden erwarten, und der Gesetzgeber fordert eine hohe Zuverlässigkeit neuartiger Werkstoffe. Diese muss vor allem auch für den Einsatz neuer Faserverbundwerkstoffe in tragenden Strukturen nachgewiesen werden. Dabei spielt die Rückverfolgbarkeit von Materialeigenschaften eine entscheidende Rolle. Prüfbarkeit, Service, Reparatur und Recycling müssen von Beginn an im Material- und Bauteilkonzept berücksichtigt werden. Insbesondere bei Faserverbundwerkstoffen gewinnt die Frage nach sicherem Einsatz und Betrieb zunehmend an Bedeutung. Materialdaten und deren Änderung über die Lebensdauer (z. B. durch Umwelteinflüsse/Alterung, zusätzliche äußere Belastungen) müssen genau bekannt sein, um z. B. die Folgen von Fehlern, Abnutzung und Alterung abschätzen zu können.
  • ƒƒDie Materialmodelle von Kompositen und Materialkombinationen sind hoch komplex und erfordern ein umfassendes Werkstoffverständnis.

Darüber hinaus sieht sich insbesondere die Automobilindustrie mit neuen Trends konfrontiert:

  • ƒƒDas Bedürfnis nach Individualität, technischem Fortschritt und kurzen Erneuerungszyklen ist prinzipiell schwer mit dem Zukunftsziel Nachhaltigkeit zu vereinbaren. Die Begrenzung der weltweiten Ressourcen wird in steigendem Maß die Wiederverwendung von Werkstoffen notwendig machen. So sind zum Beispiel die lasttragenden Fasern der Faserverbundstrukturen aktuell schwer zu recyceln und machen es notwendig Konzepte für ein Re-Use oder Recycling bereits beim Design einzuplanen (Design for Recycling). Derzeit kommt es vielfach zum »Downcycling«, das heißt Langfaserreste werden z. B. in Kurzfaserkompositen verarbeitet, statt die Kaskadennutzung vorzusehen.
  • ƒƒDie Nachfrage nach Fahrzeugen verschiebt sich potenziell. Die junge städtische Bevölkerung verbindet mit dem eigenen Personenkraftwagen nicht mehr in dem Maß Status, Vergnügen und Unabhängigkeit wie noch vor Jahrzehnten. Stattdessen definiert sie sich z. B. stärker über Mobilität per se, Individualität, Präsenz in digitalen Netzwerken etc. Hierzu zählen auch gesellschaftspolitische Trends, welche sich zum Beispiel in einem hohen Umweltbewusstsein äußern. Daher sind Recyclingfähigkeit und Einsatz nachwachsender Ressourcen aktuell wichtige branchenübergreifende Themen.