Am nun abgeschlossenen Projekt „HyWaSand“ haben sich neben dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) auch Daimler Truck, ElringKlinger, Engel Austria, die ThermHex Waben GmbH und die Edevis GmbH beteiligt. Sie richteten ihren Blick von Anfang an auf die Großserie.
Sandwich-Architekturen eignen sich für hochbelastbare Strukturbauteile. Sie machen ein Gewichtseinsparungspotenzial von bis zu 70 % gegenüber monolithischen Strukturen möglich, bei einer Belastbarkeit der Bauteile, die deutlich schwereren metallischen Bauteilen entspricht oder diese gar übertrifft. Eine Herausforderung ist bisher die Herstellung in großserientauglichen Fertigungsprozessen.
Hier können thermoplastische Faserverbund-Sandwichhalbzeuge die Lösung sein. Sie lassen sich in kontinuierlichen Verfahren herstellen und in automatisierten Verarbeitungsprozessen zu Bauteilen verarbeiten. Was damit möglich ist, haben die Projektbeteiligten am Beispiel einer Klappe für ein Staufach Lkw-Kabine gezeigt. „Wir wollten nachweisen, dass die Bauweise mit kontinuierlich hergestellten thermoplastischen Sandwich-Halbzeugen für solche Anwendungen möglich ist. Das ist uns mit unseren Partnern gelungen“, sagt Dr. Ralf Schlimper, der das Projekt am Fraunhofer IMWS geleitet hat.
Alles thermoplastisch: Sandwich-Kern und Decklagen-Matrix
Als besonders wertvoll habe sich die am Institut entwickelte Thermoplastic-Sandwich-Moulding-Technologie erwiesen: Sie basiert auf einem neuartigen Thermoformprozess und wurde gezielt für die vollautomatisierte Fertigung von endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen mit thermoplastischer Matrix in Großserie konzipiert. Dabei werden Sandwichhalbzeuge, bestehend aus thermoplastischem Wabenkern und Decklagen aus faserverstärkten thermoplastischen UD-Tape-Laminaten, in einem IR-Ofen aufgeheizt. Anschließend werden sie automatisch ins Werkzeug transferiert, dort 3D-thermogeformt und mittels Spritzguss funktionalisiert.
Zykluszeiten von einer Minute
„Die TS-Moulding-Technologie hat sich in unserem Projekt als sehr leistungsfähig erwiesen“, sagt Schlimper. Es konnte gezeigt werden, dass 3D-geformte und funktionalisierte Sandwich-Leichtbauteile „im Spritzgusstakt“ gefertigt werden können, also mit Zykluszeiten von etwa einer Minute. „Das zeigt die Potenziale für weitere Anwendungsfelder, etwa den Karosseriebereich“, so Schlimper.
Unter anderem wurde in HyWaSand die Entwicklung von kontinuierlich gefertigten Sandwichhalbzeugen mit noch geringerem Materialeinsatz vorangetrieben. Im Zusammenspiel mit einem angepassten Herstellungsprozesses konnte so eine weitere Kosten- und Gewichtsreduktion realisiert werden gegenüber bisherigen Standardkonfigurationen und nicht-recyclebaren Materialalternativen.
Noch leichter als bisherige Sandwiches
Laut Bericht des Fraunhofer IMWS lassen sich auf Halbzeugebene 30 bis 45 % des Gewichts bei gleicher Materialdicke einsparen oder bis zu 22 % des Gewichts bei vergleichbarer mechanischer Performance. Diese verbesserte Ressourceneffizienz wirkt sich auch positiv auf Materialkosten und CO2-Emissionen aus.
Natürlich gibt es noch offene Forschungsfragen. Dennoch: „Wir untersuchen aktuell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Kundenentwicklungsprojekte, um so den Eintritt in neue Marktsegmente zu ermöglichen“, sagt Matthias Biegerl, der das Projekt bei ElringKlinger geleitet hat. (os)
