Faserverbundtechnik für die Großserie

Teil 1: Potenzial faserverstärkte Polyurethane (Teil 2: PU-Oberflächentechnik zur Bauteilveredelung)Dr.-Ing. Ingo Kleba, Rühl Puromer GmbH, Friedrichsdorf

Verfolgt man die Pressemitteilungen und Projektaktivitäten der letzten Zeit, so gewinnt seit geraumer Zeit die Faserverbundtechnik wieder einmal an Bedeutung. Auch wenn dies nicht neu erscheint, denn der Faserverbundtechnik wird seit vielen Jahren ein großes Potenzial zugeschrieben, so stellt sich das aktuelle Interesse - einmal mehr getrieben durch die Automobilindustrie - dieses Mal in entscheidenden Aspekten anders dar. Als „Hightech"-Werkstoff waren die Faserverbundwerkstoffe aufgrund zu hoher Werkstoffkosten sowie zu aufwendiger und langwieriger Verarbeitungsprozesse auf Nischenanwendungen begrenzt. Dies scheint sich nun im Zuge der Diskussion um Ressourcenschonung, CO2-Emission und Treibstoffeinsparung sowie nicht zuletzt durch die zunehmende Bedeutung des Themas Elektromobilität nachhaltig zu ändern. In breiter Front sind bei vielen Automobilherstellern, deren Zulieferern sowie in der Rohstoffindustrie bisher nicht gekannte Aktivitäten und auch Investitionen zu verspüren. Erklärtes Ziel: Großserie und Effizienz.
Um die noch zu nehmende Hürde „Großserie" nicht gleich im Keim zu ersticken, steht zunächst im Fokus, Stückzahlen von 40.000 Fahrzeugen zu erreichen. Auch wenn man hiermit noch weit von den Produktionsstückzahlen von Mittelklassemodellen oder gar Volumenfahrzeugen weg ist, so ist dies mehr als sinnvoll und immer noch ein anspruchsvolles Ziel. Betrachtet man die klassischen Bestandteile von High-end-Faserverbundwerkstoffen, Epoxidharze in Kombination mit Endlosfaserverstärkungen aus Glas- oder Karbonfasern, so ist hier noch ein Stück Wegstrecke zurückzulegen. Gleichwohl sich die hervorragende Werkstoffperformance bei vergleichsweise kleinen Stückzahlen mehrfach mit Bravour bewährt hat, gilt es, die Werkstoffkosten insbesondere für die C-Faser zu reduzieren, die Prozesse zu automatisieren und die Aushärtezeiten der Harze zu reduzieren, und dies auf Kostenniveau der Automobilindustrie. Die zu beobachtenden Fortschritte auf dem Weg von der Klein- zur Großserie sind vielversprechend.
Aus der entgegengesetzten Richtung nähert sich der Werkstoff PUR dem Ziel der bezahlbaren High-end-Faserverbund-Werkstofflösung. Polyurethane sind seit vielen Jahren eine in der Automobilindustrie etablierte Werkstoffgruppe. Dabei zählt nicht nur die Sitzschaumherstellung zu den stetig optimierten Großserienprozessen. Seit ca. 10 Jahren hat sich auch die Faserverstärkung von speziellen PUR-Hartschäumen einen festen Platz in der automobilen Großserie erarbeitet. Dies sind heute vor allem PUR-Wabensandwichbauteile, die sich in Form von Schiebedachkassetten, Hutablagen und Ladeböden durchgesetzt haben (Bild 1: Hutablage des BMW X6). Hohe Steifigkeit bei minimalem Gewicht zeichnet diesen Werkstoff aus. Und auch Befestigungselemente lassen sich direkt in den Fertigungsprozess einbringen (Bild 2). Hiermit ist es erstmalig gelungen, diese in der Flugzeugindustrie seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzte Bauweise durch kosteneffiziente Werkstoffe und Verarbeitungstechniken ökonomisch sinnvoll im Automobilbau zu adaptieren. Kürzeste Aushärtezeiten, zum Teil unter 60 s, trotz zeitaufwändigem, ausgeklügeltem Verarbeitungsprozess mittels Sprüh- oder LFI-Verfahren machen dies möglich. Zudem werden werkstofftechnische Weiterentwicklungen wie z. B. Beschichtungssysteme zur Realisierung von Class-A-Oberflächen sowie die von Rühl Puromer entwickelte und patentierte Technik zur Imprägnierung der zwar kostengünstigen, aber feuchteempfindlichen Papierwaben dazu beitragen, dass sich diese Verarbeitungstechnik weitere Anwendungsfelder z. B. im Exterieur erschließen wird.
PUR-Werkstoffe haben jedoch trotz des bereits erreichten Leistungsspektrums ebenfalls eine Hürde auf dem Weg zum High-end-Verbundwerkstoff zu nehmen, und zwar hinsichtlich der Werkstoffperformance. Die bisher verwendeten Wirrglasfasermatten und der daraus resultierende geringe Faservolumengehalt liefern sicherlich noch nicht die Eigenschaftsmerkmale eines hochwertigen Composite-Werkstoffs. Hier gilt es die PUR-Chemie hinsichtlich geringerer Viskosität < 100 mPas bei langen Startzeiten von min. 60 s und zugleich kurzen Aushärtezeiten < 300 s auch Faserwerkstoffen wie Geweben und Gelegen zugänglich zu machen. Dieser Spagat zwischen langer Startzeit und schneller Aushärtung ist Rühl Puromer mit der PUR-Systemfamilie puropreg bereits gelungen. Mit der UV-stabilen Variante puropreg RTM UV liegt zudem eine sehr niedrigviskose Variante vor, welche z. B. zur Herstellung von Karbonfaserbauteilen in Sichtoptik im RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) eingesetzt werden kann. Für die RTM-Technik, die zu Recht als eine der Schlüsseltechnologien betrachtet werden kann, gilt es, die Materialsysteme weiter den Anforderungen an die Composite-Verarbeitung anzupassen, aber auch dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Charakteristikum der Polyurethane als „Werkstoff nach Maß" auch hier Einzug erhält. Damit können die Polyurethane in der Welt der Composites zukünftig nicht nur ihre Großserientauglichkeit, sondern auch ihre in weiten Bereichen variierbaren Materialeigenschaften ausspielen.
Ob man sich nun von der Seite der Werkstoffperformance wie bei den EP-Harzen oder wie beim PUR von der Großserientauglichkeit und Eigenschaftsvielfalt dem Ziel „Composites für die automobile Großserie" nähert, ist nach Meinung des Autors zweitrangig. Ob EP oder PUR, letztlich werden beide genannten Werkstoffe dort eingesetzt werden, wo sie die Bauteilanforderung am besten erfüllen. Entscheidend ist, dass beide Harzsysteme eine zentrale Rolle spielen werden - und Konkurrenz belebt nicht nur das Geschäft, sondern auch die Entwicklungsbemühungen!

Hinweis: Mehr zum Thema in Hinblick Oberflächenveredelung von Faserverbundbauteilen in der Novemberausgabe.

 

Bild_1_DSC_7591Bild 1: Hutablage des BMW X6  

 

Bild_2_LFI-Bauteil_E_91_010Bild 2: Befestigungselement  

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