• プロジェクト R.A.C.E.
  • 複雑で構造的な中空コンポーネントの量産加工
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プロジェクト R.A.C.E.

複雑で構造的な中空コンポーネントの量産加工

『プロジェクト R.A.C.E.』(Reaction Application for Composite Evolution/合成材進化のための反応アプリケーション)の一環として、Hennecke は、当産業領域のトップ企業とパートナーシップを結び、複雑な繊維合成中空パーツの迅速な製造を可能にする重要な開発を、手掛けてきました。このプロジェクトの焦点となっているのは、炭素繊維合成材により中空構造で作られたバイクのライセンス プレート ホルダーの製造プロセス チェーンです。従来の構造では、ライセンス プレートの重量は、765 g 以上ありました。しかし、プロジェクト R.A.C.E. で完成されたコンポーネントは、性能が強化されたうえ、わずか総重量 265 g という脅威の軽量化に成功したのです。つまり、60 % もの重量の削減に、成功したのです!

製品開発とデザイン

プロジェクト R.A.C.E.のフレームワークを明確に定義

The project was initiated under the management of Hennecke with the goal of bringing the new CAVUS production technology to series production. Together with the partners Engel, Huntsman, Murtfeldt, IFB Stuttgart, Persico, Reinsicht (formerly H2K Minerals) and KTM Technologies, an international team working holistically was formed consisting of 21 specialists who made it their task to develop a component all the way to series production, starting with a blank sheet of paper: the license plate holder for the KTM 1290 Superduke R. The challenge for this performance component lies in the interplay of the right construction and a production-ready design, and the combination of efficient processes based on the innovative CAVUS technology from KTM Technologies. CAVUS denotes the automated process chain for manufacturing structural complex hollow components from the core production, manufacture of the pre-form with carbon fibers in braiding technology through the HP-RTM process to the dissolution of the core material. This creates completely new design possibilities and functions.

Ideation and design

Ideation and design

The interplay of design and engineering forms the basis for a successful component. Kiska-designers and experts of KTM Technologies use the “Inside Out Design” approach for the license plate holder of the Superduke. Initial manual drawings on paper form the basis for the development process that starts simultaneously. Aspects like building space, connection concept and the manufacturability of the component are considered right from the start.

Ideation and design

Component and process simulation

Component and process simulation

In order to ensure process capability even in the early project phase, the IFB engineers (Institute of Aircraft Design) from the University of Stuttgart use various simulation tools. After the initial sketches are transferred into the CAD software, structure simulations of the component are created, which result in a first estimate of the necessary number of braiding processes. In the next step, these results are used for the braiding simulation, which provides insight about the emerging fibre angles and possible problem zones.

Component and process simulation

Core technology

Core technology

A central element of the CAVUS technology is the sand core of Reinsicht (formerly H2K Minerals). For the R.A.C.E. project, the core was set to a temperature resistance of 330 °C and a pressure resistance of 500 bar. The core also shows its special characteristics after the infiltration of the braid with the matrix. Removing it from the component without increased effort is done with just water. Furthermore, the resulting solution is not toxic. Due to the independent separation of the core components, the elements can easily be separated and recycled. In this process, up to 98 percent of the core is re-usable, depending on the material combination.

Core technology

Preforming

Preforming

The fibres were applied by the Institute of Aircraft Design at the University of Stuttgart using braiding technology. The core was fixed in a clamping device in the robot of the braiding unit and guided through a braiding wheel following a braid path calculated by the simulation. A Herzog RF 1/64-100 radial braider was used for the R.A.C.E. project. The textile was applied to the core with 64 braid strands consisting of 24k carbon fibre rovings. The strength of the springs in the bobbins determines how tight the braid sits on the core. 600 grams tensile force of the springs provided the best result of flexibility and stiffness for the biaxial braid.

Preforming

ポリウレタン マトリックス

ポリウレタン マトリックス

優れた機械の特性、卓越した処理能力は、Superduke 1290R に使用されている Huntsman 社のポリウレタン システム VITROX® RTM 332 によるものです。素材の高い耐衝撃性、伸縮性は、コンポーネントの要件を満たしています。HP-RTM プロセスで重要なのは、処理能力です。なぜなら、大量生産では、サイクル時間がとても重要だからです。30 秒から 24 時間まで調整可能な『Snap cure(スナップ硬化)』時間により、VITROX® での最短時間を実現することができました。

ポリウレタン マトリックス

HP-RTM プロセスでの加工

HP-RTM プロセスでの加工

高く、安定したコンポーネントの品質は、HP-RTM プロセスの使用を決める上での決定的な論点です。プロジェクト R.A.C.E. では、Hennecke の STREAMLINE 計量機と Engel elast 400V 垂直接続型プレス機により、コンパクトなシステム セットアップを実現しました。Engel と Hennecke のコラボレーションにより、ひとつのプラントでプロセス全体の制御が可能なシステムを、完成させました。STREAMLINE 計量プラントでは、ポリオールおよびイソシアネートの両コンポーネントを、処理することが可能です。コンジットを含むプラント全体の温度管理を行うことで、コンポーネントの再循環においても、安定した温度を確保することができます。第 3 ラインでは、均質化された分離媒体を、注入することが可能です。

HP-RTM プロセスでの加工

Hennecke のミックスヘッドによる最高の表面加工品質

Hennecke のミックスヘッドによる最高の表面加工品質

コンポーネントの混合に、Hennecke は、新開発したミックスヘッド MN10-3 RTM を、使用しています。内蔵型成形圧力センサーを装備した円錐形の排出パイプにより、高圧ミックスヘッドを、半自動接続プロセスに使用することができます。重合収縮に対処するため、自動洗浄ピストンの他、マトリックスの硬化中油圧制御で追加圧力を適応する機能も、提供しています。これらの機能により、最高の表面加工品質を実現することが、可能になります。MN10-3 RTM の更なる特質となるのは、特許取得定圧インジェクター装備の量産設備です。これにより、コンポーネントの加圧における内部成形圧力への影響を、防ぐことができるようになりました。

Hennecke のミックスヘッドによる最高の表面加工品質

革新的なシーリング素材の成形テクノロジー

革新的なシーリング素材の成形テクノロジー

最大成形内圧 200 バールまでにて、高反応性プラスチックを使用するには、高い成形テクノロジーが必要になります。一方で、成形鋳型には、研磨性炭素繊維への摩耗にも耐えうる高い耐久性が、求められています。しかし、もう一方で、常に完璧に研磨された表面加工を、保証する必要があるのです。イタリア、ネンブロの工具メーカー Persico は、プロジェクト R.A.C.E. に必要なこの要件を、満たすことに成功したのです。100 バールという平均的な工具内圧でも、シーリングは、高い要件を満たす必要があります。この問題を解決するために、Murtfeldt 社の新しいシーリング素材が、採用されました。熱可塑樹脂 Murlock® は、数百回というプロセス サイクルにおいて、高いシーリング効果を発揮します。 従来の丸型コード シーリングに比べ、余剰素材や炭素繊維等による損傷への耐性が高く、反応性樹脂システムに対しても不活性であるという特質を有しています。

革新的なシーリング素材の成形テクノロジー

コンポーネントの後処理

コンポーネントの後処理

コア素材の水による溶解は、CAVUS テクノロジーのハイライトです。このプロセスの特質として挙げられるのが、そのサステイナビリティ(持続可能性)です。環境に害を及ぼす溶剤を使用することなく、コアをコンポーネントから、溶解することが可能です。型から外したコンポーネントをトリムラインに沿ってカットした後、水に浸けます。サンドが液体へと溶け込み、分離します。サンドは、乾燥させた後、再び新たなコアに使用することが可能です。接着素材が溶け込んだ液体は、排水として処理するか、分離して、肥料として農業に使用することも可能です。コンポーネントからサンドを分離した後、従来の繊維合成コンポーネント後処理プロセスを行い、車両に装備することが可能です。

コンポーネントの後処理

プロジェクト パートナーのコメント

Stefan von Czarnecki -  (ステファン フォン ツァルネッキ)- 販売および事業開発責任者 (KTM TECHNOLOGIES)

Stefan von Czarnecki(ステファン フォン ツァルネッキ) - 販売および事業開発責任者
KTM TECHNOLOGIES

市場競争力を有する軽量構造が、高性能製品の開発における最大の目標です。革新的なチームと共に、新たなテクノロジーおよびプロセスを駆使して、新たなコンポーネントを実現しています。お客様のために、常に限界を超え、可能性を拡げていくことが、私達のモット―です。KTM テクノロジーでは、開発プロジェクトのための力強いパートナーを得ることができました。これにより、将来、軽量構造におけるトップ企業へと成長することが、可能になります。

Ivo Herzog(アイヴォ ヘルツォーク) - 取締役社長 (REINSICHT GMBH)

Ivo Herzog(アイヴォ ヘルツォーク) - 取締役社長
REINSICHT GMBH

Reinsicht は、砂を使って、複雑な耐圧性ジオメトリを製造することが可能です。製造されたサンドコアは、500 バールまでの高い射出圧力に耐えることができます。使用されている接着剤は、水溶性です。製造プロセスの最後に、溶剤を使わなくても、水で洗い流せるため、環境にも配慮することができます。

Dr. Stefan Carosella(ステファン カロセラ博士) - 合成材責任者 (INSTITUTE OF AIRCRAFT DESIGN (IFB))

Dr. Stefan Carosella(ステファン カロセラ博士) - 合成材責任者
INSTITUTE OF AIRCRAFT DESIGN (IFB)

カーボンファイバーは、サンドコアを中心に編込んでいきます。パーツにかかる負荷を適切に吸収できるカーボンファイバーを完成させるには、各繊維のポジション、角度、配置が、とても重要です。

Hubert Reitberger(フバート ライトベルガ-) - オートモーティブ製品マネージャー - 先進複合樹脂 HUNTSMAN (GERMANY) GMBH

Hubert Reitberger(フバート ライトベルガ-) - オートモーティブ製品マネージャー - 先進複合樹脂
HUNTSMAN (GERMANY) GMBH

プロジェクト R.A.C.E. は、Vitrox® のような高速 PU マトリックス マテリアルの性能を確認することができる、素晴らしいプラットフォームです。優れた技術特性を有するセルフリリース システム、最適化された硬化時間は、短時間での大量生産の鍵を握る、重要な要素です。

Gaetano Donizetti(ゲタノ ドニツェッティ) - 販売マネージャー (PERSICO SPA)

Gaetano Donizetti(ゲタノ ドニツェッティ) - 販売マネージャー
PERSICO SPA

カーボンファイバーの耐性を保つには、堅牢で高度に研磨された表面が必要です。これにより、高品質のコンポーネントおよび表面の仕上げが、可能になります。離型と射出ポイントを、適切に選択することが、とても重要です。

Ralf Burghoff(ラルフ ブルクホフ) - マネージメント テクニカル アシスタント (MURTFELDT KUNSTSTOFFE GMBH & CO. KG)

Ralf Burghoff(ラルフ ブルクホフ) - マネージメント テクニカル アシスタント
MURTFELDT KUNSTSTOFFE GMBH & CO. KG

初めてのプロジェクト R.A.C.E で、Murtfeldt Kunststoffe は、シーリング素材を紹介させていただきました。このシーリング素材は、型内圧 200 バールまでに、継続的に耐えることができ、余剰素材やカーボンファイバーによる損傷への耐性も有しています。

Matthias Mayr(マティアス マイル) - 軽量合成材テクノロジー応用エンジニア & プロジェクト マネージメント センター責任者 (ENGEL AUSTRIA GMBH)

Matthias Mayr(マティアス マイル) - 軽量合成材テクノロジー応用エンジニア & プロジェクト マネージメント センター責任者
ENGEL AUSTRIA GMBH

ENGEL の機器といえば、高い精度、エネルギー効率、信頼性です。 当社の自動化システムと組み合わせれば、HP RTM 加工における効率的な大量生産に最適な基盤を、構築することができます。製造セルに、自動操作のみならず、実験室操作にも適している ELAST 400 を統合しました。

Karolin Jacobs(カロリン ヤコブス) - メカニカル デザイン (HENNECKE GMBH)

Karolin Jacobs(カロリン ヤコブス) - メカニカル デザイン
HENNECKE GMBH

STREAMLINE 注入機は、HP-RTM プロセスに大きな影響を与える、幅広い特性を有しています。出力と重量の変動のバランスをとる圧力制御、撹拌アウトレットのセンサー、油圧式背圧機能、成形充填モニターは、完璧なコンポーネントの製造に欠かせない、重要な機能です。

デュッセルドルフ K メッセでのコンポーネント製造デモンストレーション

展示会に出展した Hennecke のスタンドには、そのプロセスをひと目見ようというお客様が、約 4000 名訪れました。部品から部品まで 125 秒というサイクル時間、62 % の軽量化、製品の同時アップグレードというキーワードは、プロジェクトの成功を意味しています。プロジェクト R.A.C.E. は、専門知識を有するパートナーが共に協力すれば、CAVUS テクノロジーを基盤とした繊維合成中空コンポーネントの量産という領域において、決定的な発展のプロセスを実現することができる、という証なのです。

プロジェクト R.A.C.E. „2.0“

ハイブリッド構造のライセンス プレート ホルダー(GFRP/CFRP)

プロジェクト R.A.C.E. は、常に更なる開発が進められています。最新の製造アプローチは、成形と染色におけるデザイン性を最大限確保するための、ライセンスプレートのハイブリッド構造です。ブレイズ プロセスのフレームとなるのは、ガラスファイバーです。テイラード ファイバー プレイスメント プロセス(TFP)の炭素繊維により、計画的に強度を向上したことで、軽量化、大幅な原料費の削減、堅牢性の強化を実現するコンポーネントを、完成させることができます。さらに、改善されたコア シーリングにより、必要なプロセス ステップが削減され、製造コストの低減に繋がります。また、新しい製造アプローチでは、センサーや LED 等の電子工学コンポーネントも、問題なく統合することが可能です。

Superduke ハイブリッド ライセンス プレート
テイラード ファイバー プレイスメント(TFP)
 TFP ブレイズ プロセス
サンドコアによる製造
センサーや LED 等の電子工学コンポーネントの統合
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合成材 & 先進アプリケーション

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宛先: tobias.jansen[at]hennecke-japan[dot]com

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