Neuartige Hochleistungsthermoplaste für den wirtschaftlichen Einsatz in Leichtbaustrukturanwendungen der Großserie

Für Leichtbauanwendungen können gegenwärtig entweder sehr hochpreisige carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit sehr guten mechanischen Eigenschaften oder weniger kostenintensive glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), die allerdings ein geringeres Eigenschaftsniveau bieten, eingesetzt werden. Dies stellt insbesondere für sicherheitsrelevante Strukturbauteile in der automobilen Großserienanwendung eine große Herausforderung dar, da hier sowohl kostengünstige Halbzeuge als auch eine optimale mechanische Performance benötigt werden. Das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS forscht daher in einem gemeinsamen Projekt mit der DOMO Engineering Plastics GmbH (DOMO EP) an neuen thermoplastischen Faserverbundhalbzeugen, um diesen beiden Anforderungen gerecht zu werden.

UD500-Anlage
© KraussMaffei Berstorff

UD500-Anlage zur Herstellung von unidirektionalen Tapes (UD-Tapes) mittels Schmelzedirektimprägnierung am Fraunhofer PAZ.

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind für den Einsatz in hochbelastbaren Leichtbauanwendungen prädestiniert, da sie sich optimal den bestehenden Lastpfaden im Bauteil anpassen lassen und sehr gute mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig niedriger Materialdichte aufweisen. Trotz ihres vorteilhaften Eigenschaftsspektrums konnten sich FVK in hochbelasteten Strukturen bis auf einige Anwendungen in der Luftfahrt-, Sportgeräte- und Automobilindustrie bislang nicht flächendeckend durchsetzen. So kommen gegenwärtig für kleine bis mittlere Serien in hoch beanspruchten Strukturbauteilen – wie zum Beispiel beim Rumpfsegment der Boeing 787 oder dem Life-Modul des BMW i3 – die bisher für große Stückzahlen nicht wirtschaftlichen duroplastischen CFK zum Einsatz.

Problematisch bei diesem Ansatz sind die relativ langen Prozesszeiten in der Herstellung durch die lange Aushärtungsdauer der Reaktionsharze, die hohen Kosten der immer noch sehr teuren Carbonfasern sowie der nicht materialeffiziente Einsatz von quasi-isotropen CFK-Gelege-Platten mit großen Verschnittresten. Daher ist es nötig, für Bauteile in großen Stückzahlen andere, wirtschaftlichere thermoplastische Composite (TPC) zum Beispiel mit Glasfaserverstärkung einzusetzen. Allerdings lassen sich diese Materialien bisher nur in niedrig bis mittel beanspruchten Bauteilen wie zum Beispiel Interieur-Komponenten oder Verkleidungsteilen einsetzen. Die Ursachen dafür liegen sowohl in den nur moderaten mechanischen Eigenschaften als auch in dem unzureichenden Temperatureinsatzbereich des weit verbreiteten Polypropylen-Matrixsystems.

An dieser Stelle möchte das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit DOMO EP ansetzen: Mithilfe von durch DOMO EP entwickelten Polyamid (PA)-basierten Matrices für Tapes mit unidirektional ausgerichteten Fasern (UD-Tapes) sollen wirtschaftliche und hochwertige Tape-Halbzeuge vor allem für automobile Leichtbauanwendungen entwickelt werden. Insbesondere die im Projekt geplante Schmelzedirektimprägnierung zur Tape-Herstellung bietet gegenüber den derzeit am Markt überwiegend eingesetzten Verfahren der Pulver- und Folienimprägnierung große Vorteile in ökonomischer und mechanischer Hinsicht. Darüber hinaus sollen neuartige Tape-Bauweisen, die sich durch hohe Materialeffizienz, geringen Verschnitt und lastpfadgerechte Bauteilgestaltung auszeichnen, erforscht und erprobt werden. Anhand eines Demonstratorbauteils soll schließlich das Leichtbau- und Serienpotenzial für die neu entwickelten Halbzeuge und materialeffiziente Bauweisen validiert werden.

Um dieses Vorhaben erfolgreich zu realisieren, gehen die Wissenschaftler in zwei Arbeitsabschnitten vor: Im ersten Projektteil sollen die mikrostrukturellen Mechanismen in PA-Matrix-Systemen und bei der Herstellung von endlosfaserverstärkten GF/PA-Tape-Halbzeugen erforscht werden. Hierfür wird eine PA-Matrix entwickelt, die durch gezielte Beeinflussung bessere mechanische Eigenschaften durch beispielsweise geringere Feuchtigkeitsaufnahme und gleichzeitig hohe prozesstechnische Eigenschaften für eine hohe Imprägniergüte aufweist.

»Wenn wir das entsprechende PA-Matrixmaterial gemeinsam mit DOMO EP erforscht und erprobt haben, wollen wir in einem weiteren Arbeitsschritt ein GF/PA-Tape-Halbzeug entwickeln, das unter anderem einen erhöhten Faservolumengehalt aufweisen kann. Dafür wollen wir die Schmelzviskosität der Matrices und die Faserimprägnierung gezielt beeinflussen, sowie die Faser-Matrix-Anbindung optimieren«, sagt Ivonne Jahn, Teilprojektleiterin »Halbzeuge« am Fraunhofer IMWS. Um darüber hinaus verbesserte mechanische Eigenschaften gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik zu erzielen, wollen die Forscherinnen und Forscher auch mit dem Einsatz von unterschiedlichen Glasfasertypen experimentieren. Wenn diese Vorhaben zum Erfolg führen, soll eine serientaugliche und reproduzierbare Herstellbarkeit der neu entwickelten GF/PA-Tape-Halbzeuge umgesetzt werden, um für den industrienahen Einsatz gewappnet zu sein.

Ein weiteres Ziel ist, die neu entwickelten Halbzeuge an einem prototypischen Demonstrator zu validieren sowie neuartige materialeffiziente Tape-Bauweisen zu erforschen und zu erproben. »Wir werden mit Hilfe des Hybridspritzgusses, in dem die endlosfaserverstärkten lastpfadgerechten Tape-Laminat-Einleger mit kurz- oder langfaserverstärkten Spritzgussmaterial kombiniert werden, die industriekompatible und wirtschaftliche Herstellung komplexer Bauteilgeometrien untersuchen. Hierbei legen wir einen besonderen Fokus auf der Erforschung materialeffizienter und endkonturnaher Bauweisen mit geringem Materialverschnitt liegen«, sagt Dr. Matthias Zscheyge, Teilprojektleiter »Bauteile« am Fraunhofer IMWS.

Das Projekt ist im Leistungs- und Transferzentrum Chemie- und Biosystemtechnik angesiedelt und wird mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.