Leichtbau: Thermoplastische Faserverbund-Bauteile ersetzen Metallkonstruktionen Hightech-Composites – aber nicht ohne Spritzgießen

Leichtbau: Thermoplastische Faserverbund-Bauteile ersetzen Metallkonstruktionen

Hightech-Composites – aber nicht ohne Spritzgießen

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Mit der BASF SE macht sich ein weiterer Gigant auf, Kunststoff-Bauweisen mit zu entwickeln. Im Fokus für den Automobilbau stehen thermoplastische Composites, die durch spritzgießnahe Technologien hergestellt werden. Dem Leichtbau könnte dies einen Schub geben – und für manche Akteure in der Spritzgieß-Prozesskette zur Chance werden.

Vor zwei Jahren überraschte BASF die Fachwelt mit der Konzeptstudie „Smart Forvision“, die der Chemiekonzern gemeinsam mit Daimler realisierte und präsentierte. Das Highlight war die großserientaugliche Kunststoff-Felge, die in einem einstufigen Prozess durch Spritzgießen hergestellt wird und 30 % weniger wiegt als eine Metall-Felge. Aber das war nur der Anfang. Schon damals konnte man erahnen, dass BASF mehr vorhatte. Nun ist es raus: Im Vorfeld der Messe K 2013 gab die Konzernspitze bekannt, dass sie ihr Kunststoffgeschäft organisatorisch neu ausgerichtet hat, um BASF-Produkte noch anwendungsnaher anzubieten – mit einem „tiefen Verständnis unserer wichtigen Kundenbranchen“, wie der stellvertretende Vorstandsvorsitzende Dr. Martin Brudermüller erklärte. Das Ziel sind maßgeschneiderte Lösungen für die jeweiligen Branchen.

Raimar Jahn, Leiter des dazu neu aufgestellten Unternehmensbereiches „Performance Materials“, sieht speziell im Automobilbau noch viel Entwicklungsspielraum. Durch Endlosfaser-verstärkte Kunststoffe, also Composites, könnten bis zu weitere 60 % an Gewicht gegenüber Stahl für einzelne Bauteile eingespart werden. „Der Weg führt über verschiedene Zwischenstufen hin zu ganzen Composite-Subsystemen. In gut 15 Jahren könnten komplette Fahrzeugkonzepte an die neuen Verbundwerkstoffe und Bauteile angepasst sein“, schätzt Jahn. „Wenn die Entwicklung in dieser Form verläuft, steht den Verbundwerkstoffen für Karosserie und Chassis ab 2015/2030 ein Marktvolumen von zwei Milliarden Euro offen.“
Daran möchte die BASF teilhaben und will in den nächsten drei Jahren „einen hohen zweistelligen Millionen-Euro-Betrag“ in Forschung und Entwicklung für den automobilen Leichtbau stecken. Doch bereits jetzt sind die Ludwigshafener gut vorbereitet. Mitte 2011 gründeten sie ein Composite-Leichtbau-Team, das grundlegendes Know-how erarbeitete. Seit März betreibt das Team eine großserienfähige Fertigungsanlage, auf der multifunktionale Composites produziert werden. In dieser roboterisierten Anlage wird thermoplastisches Faser-Halbzeug aufgeheizt, im Spritzgießwerkzeug umgeformt und dort anschließend umspritzt. Das Spritzgießen ergänzt die Bauteile um jene Funktionalitäten wie Rippen, Stege oder Montageelemente, die durch Umformen nicht realisiert werden können.
Die so produzierten Composites sind trotz ihres niedrigen Gewichts extrem steif und zeichnen sich durch hohe Funktionsintegration aus. Zykluszeiten von 1 min sollen sich erreichen lassen – akzeptabel auch für die Großserienproduktion.
Zur K 2013 bietet BASF die Technologie erstmals als Produktpaket unter dem Namen „Ultracom“ an. Es besteht aus drei Komponenten: den Endlosfaser-verstärkten Halbzeugen, den darauf abgestimmten Umspritzmassen und drittens der Unterstützung bei der Umsetzung. Diese dritte Säule, das Engineering, sei „essenziell“, heißt es bei der BASF. Die Unterstützung reicht vom Auslegen der Faserverbundbauteile mit Hilfe von Simulationstools bis hin zur Betreuung bei der Werkstoffbearbeitung und Bauteilherstellung.
Mit dem Produktpaket Ultracom geht BASF just zu einem Zeitpunkt an den Markt, in dem diese Technologie einen Durchbruch erlebt: Ende dieses Jahres geht in einem Premiumfahrzeug das erste Pkw-Bremspedal in Serie, das aus einem Endlosglasfaser-verstärkten Polyamid gefertigt ist. Die ZF Friedrichshafen AG produziert es und ist für die Entwicklung mehrfach mit Innovationspreisen ausgezeichnet worden. Das Kunststoff-Bremspedal ist um rund 50 % leichter als vergleichbare Stahl-Versionen. Auf der Messe K lässt sich die Herstellung live auf dem Stand des Spritzgießmaschinenherstellers Engel Austria verfolgen, einem Projektpartner von ZF: Auf einer vertikalen Spritzgießmaschine mit Knickarmroboter und Infrarot-Ofen werden die Endlosfaser-verstärkten, thermoplastischen Halbzeuge (auch „Organobleche“ genannt) erhitzt, im Werkzeug umgeformt und unmittelbar danach mit Polyamid 6 umspritzt. Das Pedal ist fertig, ohne dass ein Beschnitt nötig wird.
Das Polyamid 6 stammt von Lanxess. Das „Organoblech“ Tepex ist ein Produkt von Bond-Laminates. Die Lanxess AG hat Leichtbau-Erfolge schon früh mit der Kunststoff-Metall-Hybridtechnologie erzielt und diese dann weiterentwickelt. Zur Verstärkung ihrer Aktivitäten hat sie kürzlich die Bond-Laminates GmbH erworben, mit der schon länger eine Zusammenarbeit besteht. Interessierte Anwender unterstützen die Leverkusener (die ihre Konzernzentrale kürzlich nach Köln verlegten) über das Service-Angebot „HiAnt“, das von der Konzeptphase über die Simulation des Umformprozesses bis hin zum Serienstart reicht. Worin die Vorteile der thermoplastischen Composites-Technologie liegen, beantwortet Dr. Michael Zobel, Leiter der Lanxess-BU „High Performance Materials“, so: „Während die mehrheitlich duroplastischen Faserverbundwerkstoffe in der Regel nur für mittlere Stückzahlen bis zu 40 000 geeignet sind, können mit Tepex weit über eine Million Bauteile wirtschaftlich gefertigt werden.“ Tepex habe sich einen festen Platz in der Großserienproduktion erobert.
Und Dr. Christian Obermann, Geschäftsführer von Bond-Laminates, ergänzt: „Die Hybridtechnik mit Tepex hat großes Potenzial als Alternative zum Carbonfaser-verstärkten Duroplast-Verbund. Denn die thermoplastische Matrix bietet deutliche Vorteile etwa in puncto Gestaltungsfreiheit, Umform-, Schweiß- und Umspritzbarkeit sowie Lagerfähigkeit und Recycling.“ Über Automobilteile hinaus komme Tepex unter anderem in der Herstellung von Sportschuh-Sohlen, Bremshebeln und Pedalen für Rennräder, Rahmen für Rucksäcke, Snowboard- und Fahrradhelmen sowie Batteriegehäusen für Smartphones zum Einsatz.
Auch Organoblech-Anwendungen mit Spritzgieß-Anteil im kombinierten Werkzeug werden auf der K zu sehen sein. Zum Beispiel beim Maschinenhersteller KraussMaffei, der sich vor drei Jahren mit Engel Austria einen Wettlauf zur K 2010 um die erste Vorstellung dieser Composites-Technologie geliefert hatte. „Die Prozesse lassen sich in heutige Spritzgießmaschinen und Produktionsstandorte leicht integrieren“, wirbt Frank Peters für das Verfahren – er ist Vice President Sales Spritzgießen bei KraussMaffei.
Bayer MaterialScience kündigt einen Prototypen aus Organoblech auf Basis von Polycarbonat an, und auch Dupont arbeitet nach eigenen Angaben an einer „Thermoplast-Verbundwerkstoff-Technologie“ für hoch belastbare Teile.
Daneben erzielen die Entwickler weiterhin große Leichtbau-Erfolge beim Substituieren von Metall durch spritzgegossene Bauteile aus hochgefüllten Faser-Compounds, etwa bei Ölwannen. Teils gelingt es ihnen sogar, die Bauteilgewichte zu halbieren. Für solche Zwecke präsentiert Lanxess auf der K 2013 ein leichtfließendes Polyamid 6, das mit 30 % Carbonfasern verstärkt ist und eine Dichte von nur 1,262 g/cm³ hat. „Unser Carbonmaterial spielt mit seiner hohen Festigkeit in derselben Liga wie Druckguss-Aluminium“, erklärt Dr. Günter Margraf von der Lanxess-Produktentwicklung. Compounds wie dieses empfehlen sich aber auch zum Hinterspritzen umgeformter Organobleche, weil sie adäquate Festigkeiten mitbringen für die hoch belasteten Composites.
In ähnliche Richtung weist ein vom Spritzgießmaschinenhersteller Arburg angekündigtes Messe-Exponat. Vordergründig wollen die Schwarzwälder damit „nur“ die neue Technologie des Langfaser-Direktspritzgießens veranschaulichen: Seitlich an der Spritzeinheit werden bis zu 50 mm lange Fasern direkt in die flüssige Schmelze zugeführt und homogen verteilt – sozusagen eine Langfaser-Compoundierung in letzter Sekunde kurz vor dem Einspritzen. Doch das Exponat soll noch mehr demonstrieren. Mit dem Langfaser-Compound wird auf der Messe ein Endlosfaser-verstärkter Organoblech-Einleger umspritzt. Es entstehen Composite-Bauteile, die bei einer Länge von über 500 mm unter 300 g wiegen. Laut Arburg ein Beispiel, „wie sich durch die Kombination von Organoblech und Langfaser-Direktspritzgießen Leichtbauteile mit hoher Funktionsintegration und kurzen Zykluszeiten fertigen lassen“. Man darf gespannt sein.
Bereits jetzt spornt die junge Organoblech-Technologie die Entwickler an, vergleichbare Leichtbaueffekte auch mit einfacheren Verfahren zu erzielen – also durch reines Thermoformen oder durch reines Spritzgießen. Das zeigt der neue Skoda Octavia.
Sein Frontendträger besteht aus einem mit 60 % Glasfasern hochverstärkten Polyamid 6 von Lanxess. Entwickelt hat das Leichtbauteil die Faurecia Kunststoffe Automobilsysteme GmbH. „Wir wollten ein reines Kunststoffteil verwirklichen, um mit nur einem Spritzgießwerkzeug auszukommen und das aufwendige Handling und Umformen von Blechen zu vermeiden“, erklärt Pascal Joly-Pottuz aus der Faurecia-Entwicklung. Neben den Aufnahmen für die Scheinwerfer sind in den spritzgegossenen Frontendträger auch Aufnahmen für den Kühler, das Schloss, den Diebstahlschutz und die Luftführung integriert.
Die Bedeutung des Kunststoff-Spritzgießens steigt also in der Pkw-Struktur. Für so manchen Akteur der Spritzgieß-Prozesskette eine Chance? Diese könnte noch größer werden, sollte eine visionäre Technologie wahr werden, an der das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen arbeitet. In einem ehrgeizigen Messe-Projekt zeigt das IKV die Herstellung von thermoplastischen Composites ausschließlich durch Spritzgießen. 14 Industriepartner sind daran beteiligt. Die Forscher machen sich dafür die Insitu-Polymerisation zunutze: Ins Werkzeug eingespritzt wird ein niedrigviskoses Monomer und imprägniert dort das zuvor eingelegte, komplexe Faserhalbzeug. Dann polymerisiert es in der Form aus. Als Demonstratorteil soll ein Schienbeinschoner produziert werden. Voraussetzung für den Prozess sind neben der speziellen Matrix-Chemie angepasste Fasersysteme, eine spezielle Spritzgießmaschinentechnik und vor allem eine neuartige Werkzeug-, Dicht- und Verfahrenstechnik. Gelingt dieser Technologieansatz, so versetzt er die Kunststoffverarbeiter in die Lage, auf Spritzgießmaschinen auch hochwertige Composites zu produzieren.

Es müssen nicht immer Composites sein…

Metall-Substitution

Als klassischen Metall-Ersatz präsentiert Victrex seine Polyaryletherketone (PAEK) auf der Messe K, diesmal mit Schwerpunkt auf der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Sie zeichnen sich durch ein besonderes Eigenschaftsprofil aus. So halten sie etwa Drücken bis zu 2000 bar, Temperaturen von -60 bis +260 °C und zudem aggressiven Chemikalien stand, teilt Victrex mit.
Drei Beispiele: Victrex PEEK 90HMF40 wurde von Airbus qualifiziert und biete eine um bis zu 100-fach längere Ermüdungsdauer und bis zu 20 % höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit als das Luftfahrt-übliche Aluminium 7075-T6. Im Automobilbau erhöhen Bauteile aus Victrex-WG-Polymeren mit ihrem niedrigen Reibkoeffizient die Lebensdauer von Komponenten, etwa elektrischen Pumpen. Und in der Öl- und Gasförderung verhindere Victrex PEEK teure Ausfälle durch dreifach höhere Kriech- und zwölfmal höhere Druckfestigkeit im Vergleich zu anderen Hochleistungspolymeren.
Victrex Polymer Solutions, Hofheim, Messe K: Halle 5, Stand A23
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