Auf gute Verbindung

NATURFASERWERKSTOFFE passen bestens zu modernen Fahrzeugkonzepten. Das Kaschieren mit Kunststofffolien erfolgt heute mit Ultraschallschweißen oder Kleben. Steigende Variantenvielfalt und kürzere Produktionszyklen erfordern eine flexiblere Fertigung – der Laser kann dies leisten.

Bereits im VW Käfer von 1954 wurde Naturfaserwerkstoff im Innenraum eingesetzt. Das hat er mit dem neuen 7er von BMW gemein. Der Handschuhkastendeckel des VW Käfers bestand aus Fibrit, einem der ältesten Naturfaserwerkstoffe. Im aktuellen 7er sind schon gut zehn Kilogramm Naturfasern verbaut. Durch geeignetes Kombinieren von Fasern und Matrix kann die gewünschte Eigenschaft des Materials durch die Art der Produktion beeinflusst werden.
So können Faserverbund-Bauteile hergestellt werden, die bis zu 40 Prozent leichter sind als vergleichbare Spritzgussbauteile aus Kunststoff.

Das Material besitzt jedoch auch günstige mechanische und akustische Eigenschaften, es zeigt ein gutes Dämpfungsverhalten, geringe Splitterneigung und damit auch ein positives Crash-Verhalten. Das Material hat einen geringen Werkzeugverschleiß und lässt sich vielseitig be- und verarbeiten. Experten schätzen den mittelfristigen Bedarf an Naturfasern für die deutsche Automobilindustrie auf etwa 45.000 Tonnen pro Jahr. Allein die BMW-Group benötigte 2004 für die Produktion ihrer Fahrzeuge über 10.000 Tonnen Naturfasern.

In die Tür eingebaut: aus Naturfaserverbund
gefertigtes Material für die Verkleidung

Produktion flexibler mit Laser

Gängige Werkstoffe auf dem Markt sind Fibrit und Fibrowood von Johnson Controls mit einer duroplastischen Matrix sowie Lignoflex, Lignoflax und Lignoprop von Faurecia mit thermoplastischer Matrix. Diese Materialien haben noch eine weitere gute Eigenschaft. Die Abfälle lassen sich zu Haken, Armauflagen und anderem weiterverarbeiten. Standardverfahren, um sie mit Kunststoff zu kaschieren, sind Kleben und Ultraschallschweißen, aber wirtschaftlich nur bei großen Stückzahlen.

Um auch bei Kleinserien kosteneffizient zu arbeiten, taten sich die Unternehmen Faurecia, BoSystems, Sonotronic, IMA Klessmann, Laserline und Laslo mit dem Laserzentrum Hannover zusammen, um die Produktion mit Lasereinsatz noch flexibler zu gestalten. Ausgangspunkt war das Laserdurchstrahlschweißen von Thermoplasten, ein industriell etabliertes Verfahren, bei dem der Laserstrahl erst durch einen für seine Wellenlänge transparenten Kunststoff geht und an der Grenzfläche zum Bauteil absorbiert wird. Die Ingenieure nutzen dabei einen Bestandteil von Holz und Naturfasern aus, das Lignin, ein natürliches, thermoplastisches Polymer.

„Birkenholz besteht etwa zu 22 Prozent aus Lignin und das erweicht bei Temperaturen knapp über 100 Grad Celsius. Da Zellulose je nach Pflanzenart 170 bis 350 Grad Celsius aushält, hat man ein schmales Prozessfenster, in dem Holz mit Kunststoff verschweißbar ist”, fasst Dr. Dirk Herzog, Koordinator des Projekts und Leiter Werkstoff- und Prozesstechnik am Laser Zentrum Hannover, zusammen. Nun hat man einen Prozess, der funktioniert, und die Tests ergaben, dass das Schweißen Verbindungen liefert, die mit jenen durch Kleben oder Ultraschallschweißen gleichwertig sind. „Allerdings muss der Prozess jedes Mal noch an den gerade verwendeten Werkstoff angepasst werden”, schildert Herzog.

Laser bei Kleinserien im Vorteil

Der Laser ist flexibel, kann unterschiedliche Geometrien bearbeiten, ohne das Werkzeug zu wechseln, ist aber ungefähr genauso schnell wie Ultraschallschweißen. „Bei Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen ergab sich, was schon vorher zu vermuten war, dass Kleben und Ultraschallschweißen bei großen Stückzahlen kosteneffizienter arbeiteten, der Laser aber bei Kleinserien trumpfte”, so Herzog. Die Gründe: Neben Kosten für den Klebstoff fallen auch Wartungs- und Reinigungsarbeiten an, und beim Ultraschallschweißen braucht man an die Geometrie des jeweiligen Werkstücks angepasste Sonotroden, die den Ultraschall ins Bauteil einkoppeln.

Bei den Investitionen und Betriebskosten ist Ultraschallschweißen billiger. Beim Laser entfällt ein Großteil der Kosten auf die Handhabung – den Roboter. Damit ist der Laser jedoch flexibler, denn ein neues Werkstück bedeutet nur das Auswechseln der Programmierung. „Nimmt man die Automobilindustrie mit ihren immer kürzeren Produktlaufzeiten: Wenn in der Abschreibungszeit des Werkzeugs ein oder mehrere Produktwechsel stattfinden oder die Bauteilgeometrien wechseln, dann ist der Laser wirtschaftlicher”, weiß Herzog. Zumindest eines hat der Laser voraus, er kann im Sichtbereich eingesetzt werden. Ultraschallschweißen hingegen hinterlässt Eindruckspuren von mehreren Millimetern aufgeschmolzenen Materials an der Oberfläche.

Dr. Barbara Stumpp