Faserverbundtechnik für die Großserie

Teil 2: PU-Oberflächentechnik zur BauteilveredelungDr.-Ing. Ingo Kleba, Rühl Puromer GmbH, Friedrichsdorf

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Dieser Eisbär war sicherlich mehr als 1000 Jahre im Holz gefangen.
Erst durch die Flutung mit puroclear wurde seine Stärke in ihrer gesamten
Klarheit und Brillanz wiederentdeckt.  

 

Wie im ersten Teil dieses Artikels in der September-Ausgabe bereits erläutert, werden von der Werkstoffseite her sowohl Epoxydharze als auch Polyurethansysteme als Matrixmaterial einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, die Faserverbundtechnik in den nächsten Jahren auch für die Großserie zugänglich zu machen. Auch wenn damit bereits eine wesentliche Hürde für den Faserverbund in Angriff genommen und sicherlich mittelfristig überwunden werden wird, so ist dies aus Werkstoffsicht nur ein Teil der zu lösenden Gesamtherausforderung. Ebenso müssen sich die Carbonfaser und deren Herstellung hinsichtlich Kosten und Verfügbarkeit signifikant weiterentwickeln, was derzeit teilweise, direkt getrieben durch die OEMs, ebenfalls im Fokus steht. Aber auch dies wird für die Implementierung in der Großserie noch nicht ausreichen. Eine weitere zentrale Aufgabe ist die Frage der richtigen und vor allem ökonomisch sinnvollen Oberflächenveredelung von Faserverbundbauteilen. Denn in vielen Fällen werden diese im direkten Sichtfeld des Endkunden liegen und bedürfen dementsprechend einer Oberflächenbeschichtung, sei es durch eine Lackierung in der gewünschten Wagenfarbe oder auch in Carbon-Sichtoptik.

Bereits bei heutigen Kunststoffbauteilen im Fahrzeugbau stellt die Oberflächenveredelung - in der Regel durch Lackierung - mit nicht selten über 50 % der Kosten einen erheblichen Teil der Wertschöpfung dar. Dabei sind Colour-Matching, Temperaturstabilität und weitere Kriterien zwar heute für klassische Kunststoffe gelöst, rücken aber gerade bei Composites erneut in den Fokus. Durch den Verbund aus Fasern und Matrix mit ihren signifikanten Unterschieden in den Materialeigenschaften wie der Wärmeausdehnung als ein zentrales Charakteristikum für die Lackierbarkeit sind hier Verfahrens- und Werkstofflösungen gefordert, die auch die Oberflächenveredelung im Großserienmaßstab ermöglichen.

Dieser Aufgabe stellt sich Rühl Puromer und verfolgt dabei neben den Aktivitäten im Bereich der Matrixsysteme zwei Wege für die Oberflächenveredelung. Dies ist zum einen die Realisierung einer auf konventionellem Wege lackierbaren Oberfläche auf dem faserverstärkten Substrat. Die Basis hierfür ist die Entwicklung von kompakten PUR-Systemen zur „Grundierung" der Faserverbundbauteile. Hierbei werden verfahrenstechnisch zwei alternative Lösungen angestrebt. Einerseits kann die „PUR-Grundierung" im Sprühverfahren im Vorfeld der Substratfertigung in das Formgebungswerkzeug eingebracht werden. Im Anschluss finden dann das Einlegen der Verstärkungshalbzeuge, die Injektion des Matrixharzes und die Aushärtung zum lackierfertigen Faserverbundbauteil statt. Hierzu werden bei Rühl Puromer entsprechende purospray-Systeme entwickelt. Andererseits kann die PUR-Grundierung nachgelagert durch ein Gießverfahren erfolgen. In diesem Fall wird zunächst das Faserverbundträgerbauteil hergestellt. Im Anschluss erfolgt im Idealfall mit nur einer separaten Werkzeughälfte, die eine zusätzliche Kavität frei gibt, durch Überfluten des Trägers mit einem entsprechenden purocast-System die Realisierung der lackierfähigen Oberfläche, wie dies in der Vergangenheit z. B. beim Audi TT Hardtop bereits in die Praxis umgesetzt wurde. In beiden Fertigungsvarianten kann bei dem purospray bzw. purocast-System auf kostengünstige aromatische PUR-Formulierungen zurückgegriffen werden, welche aufgrund der nachträglichen Lackierung nicht lichtecht sein müssen.

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Zum anderen wird bei Rühl Puromer die direkte Oberflächenvergütung von Faserverbundbauteilen mit lichtechten aliphatischen Systemen verfolgt, wobei hinsichtlich der Verarbeitung derzeit die nachgelagerte Beschichtung des Substrats analog zu den aromatischen purocast-Systemen favorisiert wird. Hier baut die Werkstofflösung auf PUR-Systemen der puroclear-Produktfamilie auf. Diese Werkstoffgruppe wurde ursprünglich als Beschichtung für Interieurbauteile entwickelt und erfreut sich hier reger Nachfrage, insbesondere für Edelholzzierteile, aber auch für Thermoplastbauteile in Piano-black-Optik.  Dies liegt zum einen daran, dass dieses System als selbstrennende Variante verfügbar ist, was einer effizienten Produktion deutlich entgegen kommt. Zum anderen können die Systeme mit selbstheilenden Eigenschaften ausgestattet werden, d. h. konventionelle Gebrauchsspuren wie z. B. Kratzer mit Ringen oder Fahrzeugschlüsseln bilden sich in kurzer Zeit von selbst wieder zurück - und das ohne Nachhelfen mit Temperaturbehandlung oder Polieren (Denn letztlich kann es uns Endverbrauchern egal sein, ob ein Kratzer entsteht, Hauptsache er verschwindet schnell wieder.). Gerade letztere Eigenschaft macht die puroclear-Systeme auch interessant für den Außeneinsatz und dort nicht zuletzt auf Faserverbundbauteilen. Die derzeitigen Entwicklungen und Prüfergebnisse sind hier sehr vielversprechend.

Puroclear-Systeme können dabei als Oberflächenveredelung in zweierlei Hinsicht zur Wertigkeit der Faserverbundtechnik beitragen. Die transparente puroclear-Variante kann dazu dienen, das Faserverbundbauteil zu einem hochwertigen Bauteil in Carbonfaser-Sichtoptik zu veredeln. Man denke hier z. B. an Dachmodule, wie sie heute schon in Sonderserien im Einsatz sind, Spoilerbauteile oder auch Motorhauben, bei denen die Carbonfaser für den Fahrzeugnutzer als Synonym für Hightech aus dem Flugzeugbau oder Spitzensport mit einer optisch beeindruckenden Tiefenwirkung zur Geltung kommt. Die puroclear-Systeme können jedoch auch in eingefärbter Variante eingesetzt werden und bestechen in dieser Form mit ihrer hochwertigen Brillanz z. B. in Piano-black. Sicherlich ist dabei das Thema Colour-Matching kritisch. Dennoch gibt es hier im Zuge der stetig zunehmenden Fahrzeugindividualisierung genug Anwendungspotenzial u. a. für Anbauteile, mit denen man gezielt Akzente setzen möchte, z. B. im Grenzbereich zur Fahrzeugverglasung, bei der puroclear-Beschichtungen einen optisch sehr ansprechenden Übergang zu realisieren vermögen.

 

02_spoiler_cut_castSchnitt durch den Spoiler

 

Die obigen Lösungsansätze zur Oberflächengestaltung sind unabhängig vom Matrixmaterial zu sehen und gelten gleichermaßen für PUR- als auch für Epoxy-Lösungen. Der Königsweg zur edlen Oberfläche ist sicherlich die Realisierung von direkt lackierbaren Faserverbundbauteilen. Dies stellt aus Sicht des Verfassers jedoch eher eine langfristige Perspektive dar. Nichtsdestotrotz stellt man sich bei Rühl Puromer auch dieser Herausforderung. Dabei gilt es die Matrixsysteme dahingehend weiter zu entwickeln, dass die Materialunterschiede wie z.B. unterschiedliche Schwindungen zwischen Faser und Matrix nicht mehr beeinträchtigend ins Gewicht fallen.

Diese Ausführungen zeigen, dass auch die Oberflächenveredelung ein gehöriges Wörtchen mitzureden hat auf dem Weg zur faserverstärkten Serienlösung. Nicht zuletzt durch die aufgezeigten Lösungswege auf Basis Polyurethan wird jedoch auch diese Herausforderung den Siegeszug der Composites nicht mehr aufhalten. Wir, die Werkstoffindustrie, können vielmehr mit beeinflussen, wie schnell sich dieser Wandel zu mehr Ressourcenschonung, Treibstoffeinsparung und CO2-Minimierung vollzieht.