Für jedes Bauteil die passende Fertigungstechnik

Erich Fries (Dipl.-Ing.), Josef Renkl (Dipl.-Ing.), Sebastian Schmidhuber (Dipl.-Ing.), Markus Betsche (Dipl.-Ing. (FH)), KraussMaffei Technologies GmbH, München

01_LFI_Schema-bBild 1: Prinzip des Long Fiber Injection Moldings (LFI)

 

Für die Herstellung von Faserverbundbauteilen stehen verschiedene Verfahrensalternativen zur Wahl. Um das richtige Fertigungsverfahren für ein bestimmtes Bauteil zu finden, müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden.
Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) weisen ein einzigartiges Verhältnis von Festigkeit und Gewicht auf. Daher substituieren sie weiterhin Metallbauteile im Fahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt und in zahlreichen anderen Anwendungsbereichen. PUR konkurriert als Matrixwerkstoff dabei mit anderen Reaktivharzen wie Epoxid- oder Polyesterharzen, aber auch mit thermoplastischen Werkstoffen, beispielsweise Organoblechen oder LFT. Glasfasern als Verstärkungsmittel werden je nach Anwendung zunehmend durch Carbonfasern ersetzt, um das Bauteilgewicht zu reduzieren und gleichzeitig noch bessere mechanische Kennwerte zu erreichen.
 

02_LFI_Anwendungsbeispiel_CBild 2: Im LFI-Verfahren hergestelltes Seitenteil für eine landwirtschaftliche ­Ballenpresse

 

03_FCS_SchemaBild 3: Prinzip des Fiber Composite Sprayings (FCS)

 

Bei der Ermittlung des richtigen Herstellungsverfahrens für ein bestimmtes Bauteil spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle (Tabelle 1). Für Großserien sind kurze Zykluszeiten erforderlich, bei Kleinserien müssen die Werkzeugkosten möglichst gering sein. Die mechanischen Anforderungen an das Bauteil entscheiden darüber, ob Preforms aus Fasergewebe, Faservliese oder Langglasfasern zum Einsatz kommen. Bauteile mit komplexen dreidimensionalen Geometrien erfordern eine anspruchsvollere Verfahrenstechnik als flächige Bauteile. Nicht zuletzt ist es in vielen Anwendungsbereichen erforderlich, die Bauteile mit hochwertigen Oberflächen auszustatten. Alle diese Anforderungen mit einem einzigen Verfahren zu erfüllen ist technisch und wirtschaftlich nicht möglich. Daher bietet KraussMaffei eine Reihe von verschiedenen Verfahrenslösungen für die Produktion faserverstärkter Bauteile mit reaktivem Matrixharz.

 

04_FCS_Anwendungsbeispiel_RBild 4: Im FCS-Verfahren hergestellte Motorhaube für Nutzfahrzeuge

 

05_HD-RTM_SchemaBild 5: Prinzip des Hochdruck-Resin-Transfer-Molding (HD-RTM)

 

LFI-PUR – bewährt in zahlreichen Anwendungsgebieten
Bei der Produktion von großformatigen glasfaserverstärkten PUR-Bauteilen ist das LFI-Verfahren von KraussMaffei seit vielen Jahren in zahlreichen Anwendungsgebieten etabliert. Typische LFI-Produkte sind beispielsweise Motorhauben und Abdeckungen für Nutzfahrzeuge oder Dachmodule und Instrumententafelträger für Pkws. Darüber hinaus werden im LFI-Verfahren auch Türblätter oder Rümpfe für Jet-Ski-Wasserfahrzeuge hergestellt.
Beim LFI-Verfahren wird unmittelbar vor der Verarbeitung ein Glasfaserroving in Abschnitte bestimmter Länge geschnitten (Bild 1). Diese werden mit dem PUR-Gemisch benetzt, in ein offenes Werkzeug eingetragen und anschließend unter Druck verpresst. Dabei verbinden sich Glasfasern und Trägermatrix zu einem hochfesten Verbund. Die Fasern werden sehr gleichmäßig benetzt und isotrop im Bauteil verteilt. Dies führt zu hohen Festigkeitswerten und einer geringen Wärmeausdehnung. Der Faseranteil lässt sich während des Materialeintrags variieren und kann bis zu 50% betragen. Die Faserlänge ist über die Anzahl und die Position der Messer an der Schneidwalze zwischen 12,5 und 100 mm einstellbar. Im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren ist LFI-PUR besonders wirtschaftlich, da die verwendeten Glasfaserrovings kostengünstiger sind als vorkonfektionierte Glasfasermatten. Außerdem entfallen die Vorformung und das Einlegen der Glasmatte in das Werkzeug. Darüber hinaus können die Bauteile beim LFI-Verfahren direkt im Werkzeug mit einer hochwertigen Oberfläche ausgestattet werden (siehe Kasten auf S. 33). Um die spätere Montage von Komponenten zu erleichtern, können auch Einlegeteile wie Schrauben, Buchsen oder Hülsen während der Herstellung integriert werden.
LFI-Mischköpfe von KraussMaffei verarbeiten je nach System bis zu 1300 g PUR-Glasfasergemisch pro Sekunde. Aufgrund der hohen Durchsatzmengen können im LFI-Verfahren auch großformatige Bauteile mit kurzen Zykluszeiten hergestellt werden. So hat das im LFI-Verfahren hergestellte Seitenteil für eine landwirtschaftliche Ballenpresse ein Gesamtgewicht von 25 kg (Bild 3). Die Fläche des Bauteils beträgt etwa 3,8 m².

 

 


LFI

FCS

HD-RTM

C-RTM

Wetmolding

Bauteileigenschaften

         

Belastungsfähigkeit

++

++

+++

+++

++

Temperaturbeständigkeit

++

+

++

++

++

Dimensionsstabilität

++

+

+++

+++

++

Komplexe Geometrien

+

+++

++

+

+

Prozesseigenschaften

         

Automatisierbarkeit

++

+

++

++

+

Oberflächenveredelung

++

++

+

+

+

Eignung für Kleinserien

+

+++

+

++

++

Eignung für Großserien

++

+

+++

++

++

 Tabelle 1: Vergleich der Herstellungsverfahren für faserverstärkte Bauteile +++ = herausragend, ++ = sehr gut, + = gut

 

Fiber Composite Spraying – flexibles Verfahren für die Kleinserie
Beim Fiber Composite Spraying (FCS, Bild 2) wird eine Schicht aus Fasern und PUR in ein offenes Werkzeug gesprüht. Ausgangsmaterial für die Faserverstärkung sind dabei – wie beim LFI-Verfahren – Endlos-Rovings. Sie werden einem Schneidwerk zugeführt und auf die geforderte Faserlänge geschnitten. Anschließend werden die Fasern an den Mischkopf geführt und koaxial in den Sprühstrahl eingetragen.
Der Auftrag des Gemisches aus PUR und Glasfasern erfolgt bei FCS in einzelnen Schichten. Der Einsatz eines Mehr-Komponenten-Mischkopfs eröffnet vielfältige Variationsmöglichkeiten bei den verarbeiteten Materialsystemen. So können durch die Verarbeitung von bis zu drei unterschiedlichen Polyol-Komponenten kompakte und geschäumte Schichten mit oder ohne Faserverstärkung ins Bauteil eingebracht werden. Die geschäumten Schichten verringern dabei quasi als „Schaumkern“ das Bauteilgewicht, sie können aber auch die akustischen Eigenschaften des Bauteils verbessern. Durch den Schichtaufbau lassen sich Composites herstellen, die optimal an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sind.
Anders als beim LFI-Verfahren härtet das Harz beim FCS häufig unverpresst aus. Da dabei nur eine relativ einfache, unbeheizte Negativform notwendig ist und auf einen Formträger verzichtet werden kann, sind die Investitionskosten beim FCS-Verfahren relativ niedrig. Daher eignet sich dieses Verfahren auch für die wirtschaftliche Herstellung von Kleinserien. Ein weiterer Vorteil des Fiber Composite Sprayings ist, dass sich damit beispielsweise auch wannenförmige Bauteile oder Bauteile mit nahezu senkrechten Wänden realisieren lassen. Durch den Einsatz eines Dreh-Kipp-Tisches kann das Werkzeug bzw. das Bauteil so positioniert werden, dass der Sprühstrahl immer auf eine horizontal angeordnete Fläche trifft. Der Mischkopf gewährleistet dabei, dass der Sprühstrahl auch schwer zugängliche Bereiche zuverlässig erreicht.
Die PUR-Austragsmenge liegt beim FCS-Verfahren im Bereich von 20 bis 50 g/s und damit deutlich niedriger als beim LFI-Verfahren. Da das Material beim FCS nicht verpresst wird, sollte der Glasanteil in den glasfaserverstärkten Schichten bei maximal 25 % liegen, damit die Fasern noch vollständig benetzt werden. Typische Anwendungen für dieses Verfahren sind beispielsweise Radabdeckungen oder großflächige Hauben für Nutzmaschinen (Bild 4). Wie beim LFI-Verfahren ist es auch beim FCS möglich, durch In-Mould-Painting oder durch den Einsatz tiefgezogener Folien direkt im Werkzeug hochwertige Bauteil­oberflächen zu erzeugen.

 

06_HD-RTM_AnwendungsbeispieBild 6: Im HD-RTM hergestelltes Dachmodul mit Carbonfaserverstärkung

 

HD-RTM – kurze Zyklen mit schnellreagierenden Harzen
Um faserverstärkte Bauteile mit Epoxid-Matrix in kurzen Zykluszeiten für die Großserie zu realisieren, hat KraussMaffei das Hochdruck-Resin-Transfer-Molding (HD-RTM, Bild 5) entwickelt. In der letzten Zeit gibt es aber auch immer mehr Anwendungen für Polyurethan im RTM-Prozess. Für PUR sprechen dabei der tendenziell günstigere Rohstoffpreis, die niedrigere Verarbeitungstemperatur und die geringere Viskosität der PUR-Komponenten. Darüber hinaus erfordert die Verarbeitung von Epoxiden einen speziellen Korrosionsschutz der härterführenden Maschinenkomponenten – dieser kann bei Verarbeitung von PUR entfallen. Um dem Verarbeiter eine möglichst große Flexibilität zu eröffnen, bietet KraussMaffei auch HD-RTM-Hybrid-Anlagen an, mit denen sowohl Epoxidharz als auch PUR verarbeitet werden kann.
Beim HD-RTM wird zunächst ein Preform aus Carbon- oder Glasfasern in das Werkzeug eingelegt. Danach wird das Harz mit einem selbstreinigenden Hochdruckmischkopf in das geschlossene Werkzeug injiziert. Diese Verfahrenstechnik erlaubt es, schnell reagierende Harzsysteme zu verarbeiten. Durch die Hochdruckinjektion benetzt das Matrixharz jede einzelne Faser ohne Lufteinschlüsse. Der Fasergehalt im Bauteil liegt je nach Anwendung oberhalb von 50 %. Typische Anwendungen für das HD-RTM-Verfahren sind extrem leichte Strukturbauteile, die höchste mechanische Anforderungen erfüllen. Dazu gehören beispielsweise Stoßfängerträger, Dachmodule, Seitenwände oder Crashboxen für den Fahrzeugbau (Bild 6).
Eine weitere Verfahrensvariante ist das von KraussMaffei entwickelte Compression-RTM (C-RTM, Bild 7). Dabei wird das Werkzeug zunächst nur auf ein Spaltmaß geschlossen. Anschließend wird das Harzgemisch ohne Forminnendruck und ohne Pressdruck in das Werkzeug eingetragen. Teilweise durchtränkt das Harz das Fasergelege dabei bereits, der größte Teil der Harzmenge befindet sich jedoch gewissermaßen „schwimmend“ über dem Fasergelege. Nun wird mit einem Kompressionshub das Werkzeug vollständig geschlossen und dadurch das Harz in Z-Richtung durch das Fasergelege hindurch gedrückt, so dass es die Fasern benetzt. Da  sich während der Injektion kein so hoher Forminnendruck aufbaut wie beim RTM Prozess, können beim C-RTM statt Stahlwerkzeugen teilweise und für kleine Stückzahlen auch Werkzeuge aus Aluminium zum Einsatz kommen. Auch der maschinentechnische Aufwand für die Presse ist geringer, da der Forminnendruck niedriger ist als beim HD-RTM-Verfahren.
Mit dem Wetmolding-Verfahren (Bild 8) bietet KraussMaffei eine weitere Alternative zur automatisierten Serienproduktion faserverstärkter Leichtbauteile. Hier wird ein Faserstapel ohne Vorformung in flachem Zustand in einem Spannrahmen fixiert. Der Mischkopf ist beim Wetmolding nicht direkt am Werkzeug, sondern an einem Industrieroboter befestigt. Am Mischkopf befindet sich eine Austragsdüse, mit der eine dünne Harzschicht laminar auf den Faserstapel aufgetragen wird, während der Mischkopf sich bahnförmig über den Faserstapel bewegt. Anschließend wird der Spannrahmen mit dem Faserstapel und der Harzschicht in einem Werkzeug verpresst. Das Preforming der Fasern findet beim Wetmolding also erst durch die Schließbewegung des Werkzeugs statt. Die Breite der aufgetragenen Harzschicht kann an die Prozessanforderungen, z. B. an die Reaktionszeit des Harzes, angepasst werden. Ein wichtiger Vorteil des Wetmoldings besteht darin, dass auch Fasermatten aus Recyclingfasern, welche beim Preform-Zuschnitt anfallen, eingesetzt werden können. Hier sind die Fasern nicht gerichtet, sondern wirr verteilt. Vor allem bei der Verarbeitung von Carbonfasern können sich die Materialkosten des Bauteils dadurch deutlich reduzieren.

 

Grafiken_DEU-1 Bild 7: Prinzip des RTM-Verfahrens mit Kompressionshub (C-RTM)

 

Die Oberflächenveredelung mit In-Mold-Painting oder tiefgezogenen Folien ist bei den beschriebenen RTM-Verfahrensvarianten nicht möglich. Daher ist eine alternative Vorgehensweise erforderlich, mit der sich die nachfolgende Lackierung der Bauteile wesentlich vereinfacht. Auf der K 2013 stellt KraussMaffei eine RTM-Zelle für karbonfaserverstärkte Bauteile mit PUR-Matrix vor, bei denen die nachfolgenden Schritte zur Oberflächenkonditionierung stark vereinfacht sind.

 

Grafiken_DEU-2 Bild 8: Prinzip des RTM-Verfahrens mit Austrag einer laminaren Dünnschicht (Wetmolding)

 

Grafiken_DEU-3Bild 9: Charakteristische Zykluszeiten für PUR-Faserverbundprozesse

 

Autoren
Dipl.-Ing. Erich Fries ist Leiter Business Unit Composite bei der KraussMaffei Technologies GmbH, München.
Dipl.-Ing. Josef Renkl ist Leiter Forschung und Entwicklung Reaktionstechnik bei der KraussMaffei Technologies GmbH, München.

 

Dipl.-Ing. Sebastian Schmidhuber ist Gruppenleiter Entwicklung im Bereich Reaktionstechnik bei der KraussMaffei Technologies GmbH, München.
Dipl.-Ing. Markus Betsche ist im Produkt- und Technologie-Management bei KraussMaffei Technologies GmbH, München, tätig.

 


Hochglänzende Bauteiloberflächen

Bei den Verfahrensvarianten LFI und FCS kann direkt im Werkzeug eine hochglänzende Bauteiloberfläche erzeugt werden. Dazu stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung:

  • Beim In-Mold-Painting wird ein Lack und/oder Barriercoat auf die Oberfläche des geöffneten Werkzeugs aufgetragen. Anschließend erfolgt der Eintrag des PUR-Trägersystems. Das In-Mold-Painting ermöglicht kurze Zykluszeiten und einen schnellen Farbwechsel, stellt jedoch relativ hohe Anforderungen an die Werkzeugoberflächen und an das Maschinenpersonal.
  • Als Alternative zum In-Mold-Painting können statt der Lackschicht tiefgezogene Folien in das Werkzeug eingelegt werden. Die Investitionen für die Anlagentechnik zum Auftrag des Lacks und der Sperrschicht entfallen dadurch. Allerdings ist für die Vorformung der Folien eine Tiefziehanlage erforderlich. Bei der Verwendung von Folien findet immer ein nachträglicher Beschnitt statt.