Frimo Street Shark – und weitere, immer größere Potentiale für Faserverbundbauteile denkbar

Im Jahr 2011 begann die erfolgreiche Kooperation von Frimo und Huntsman Polyurethanes zur Herstellung von Faserverbundbauteilen im Serienmaßstab. Hierbei stand vor allem auch die Realisierung einer wirtschaftlichen Großserienproduktion von großflächigen Faserverbundbauteilen im Vordergrund. Die in dieser Konstellation neu entwickelten Denkansätze und Lösungen, sowohl auf der chemischen als auch auf der Maschinenseite, eröffnen bisher nicht gekannte Möglichkeiten in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Qualität, Ergonomie und Robustheit des Prozesses.

JECGroupInnovationAwardHuntsman Polyurethanes hat seine Vitrox-Systemtechnologie so weiterentwickelt, dass eine bis dahin nicht mögliche Kontrolle des Reaktionsprofils des Polyurethans möglich ist. Dieses Matrixsystem auf Polyurethanbasis bietet deshalb viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Polyurethan- oder Epoxidharzsystemen (siehe FAPU Ausgabe 83, März 2014). Im Verbund mit dem durch Frimo umgesetzten Fertigungsverfahren lassen sich selbst bei großen Bauteilen und schwierigen dreidimensionalen Geometrien Forminnendrücke von unter 15 bar erreichen, und das sowohl für den Injektions- als auch für den Reaktions-Prozessschritt. Diese geringen Forminnendrücke ermöglichen bei gleichzeitig erhöhter Prozesssicherheit den Verzicht auf Pressen, die in einem herkömmlichen RTM-Prozess, je nach Bauteilgröße, mit entsprechend hohen Schließkräften von  bis zu mehr als 5.000 t ausgelegt sein müssen. Mit der neuen Lösung stehen viele Türen offen: Selbst bei großflächigen und stark dreidimensionalen Faserverbundbauteilen können Standard-Formenträger, wie in der klassischen  Polyurethanverarbeitung üblich, eingesetzt werden. Damit lassen sich Produktionsanlagen wesentlich wirtschaftlicher und auch im Hinblick auf die Ergonomie optimaler gestalten. Zudem können mit den vergleichsweise „leichtgewichtigen“ Formenträgern auch Mobilanlagen wie Rundtische, Überkopf- oder Bodenförderanlagen eingesetzt werden – ein Plus für die Prozessrobustheit.

Eine besonders herausragende Eigenschaft des Vitrox-Systems ist, dass die Polyurethan-Matrix bei konstanter Verarbeitungstemperatur  im vermischten Zustand eine Viskosität von weniger als 70 mPas besitzt und diese durch chemische Einstellung nahezu beliebig lang, konstant dünnflüssig beibehält. Dadurch sind geringere Fließgeschwindigkeiten erreichbar, woraus resultierend mit deutlich niedrigeren Innendrücken gearbeitet werden kann. Damit eröffnet sich erstmals die Möglichkeit, mit Werkzeugen zu arbeiten, über die filigrane Oberflächenstrukturen auf Faserverbundbauteilen wirtschaftlich und prozesssicher im Serienmaßstab darstellbar sind. Bereits als Prototyp realisiert wurde eine bionische Oberfläche. Bezeichnet als  Street Shark 1.0, wurde ein modifizierter BMW Z4 mit der exakten Nachbildung einer Haihaut auf den Oberflächen von Motorhaube und Dachmodul, erstmals im September letzten Jahres auf der Composites Europe vorgestellt. Die Motorhaube und das Dachmodul wurden zudem als festigkeits- und gewichtsoptimierte Faserverbund-Sandwichbauteile hergestellt.

 

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Bei der Weiterentwicklung, einem in diesem Jahr auf der VDI Kunststoffe im Automobil in Mannheim gezeigten Street Shark 2.0, fungierte ein Mission 400 Alzen Porsche als Technologie-Demonstrator. Wesentlicher Unterschied: Die Haihaut wurde skaliert und als Oberflächenstruktur auf die Motorhaube aufgebracht. Damit wurden unter anderem, weitere Verbesserungen des cw-Wertes im Windkanal nachgewiesen.

Im Rahmen der dritten JEC Americas, die im Mai 2014 in Atlanta stattfand, wurden innovative Leichtbau-Lösungen in insgesamt zehn Kategorien mit den JEC-Innovation-Awards prämiert. Eine Jury aus international anerkannten Experten zeichnete die besten Verbundwerkstoff-Innovationen nach den Kriterien technische Exzellenz, Marktpotenzial, Partnerschaft und Originalität aus. In der Kategorie Automotive nahm Frimo für das Kooperationsprojekt Street Shark den Preis entgegen.

Frimo erhielt den JEC-Innovation-Award nach 2010 zum zweiten Mal, insgesamt vier deutsche Unternehmen waren unter den zehn Gewinnern der diesjährigen JEC Americas.

Neue Anwendungsmöglichkeiten solcher mit strukturierten Oberflächen versehenen Faserverbund-Bauteile ergeben sich auch in anderen Industriebereichen, unter anderem in Windenergieanlagen, Flugzeugen, Schienenfahrzeugen oder Schiffen. Neben der Haihaut sind auch andere bionische oder sonstige Oberflächenstrukturen möglich, wie z. B. Holzfasernachbildungen. Ebenfalls in der Testphase sind Oberflächen mit schmutzabweisender oder selbstheilender Funktion oder auch mit optischen Effekten.
 

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Neben der chemisch nahezu beliebig lang einstellbaren, konstant bleibenden niedrigen Viskosität im vermischten Zustand, hat das Vitrox-System zusätzlich das herausragende Merkmal, nach Ablauf dieser Zeit schlagartig auszuhärten (snap cure). Daraus lässt sich ein weiterer Vorteil ableiten, der Schrumpf und Mikrobläschen im Bauteil nahezu eliminiert. Dies hat vor allem positive Auswirkungen auf die Qualität und die Prozessstabilität zur Herstellung von Faserverbundbauteilen. Denn: Die schlagartige Reaktion des injizierten Materials startet nach Injektionsende an den vom Injektionspunkt am weitesten entfernten Stellen, d. h. dort, wo sich das zu Injektionsanfang vermischte Material befindet. Zunächst wird hier das Matrixmaterial schlagartig hart, während es in Angussnähe weiterhin mit ca. 70 mPas dünnflüssig bleibt, denn dort befindet sich das mit Injektionsende vermischte Material und wird dementsprechend als Letztes schlagartig reagieren. Durch fortwährende dünnflüssige Materialnachfuhr, mit geringer  Druckbeaufschlagung an die jeweiligen Reaktionsgrenzen in der Kavität (max. ca. 15 bar, ähnlich dem für die Injektion benötigten Druck),  ist es somit möglich, dem während der Reaktion auftretenden Schrumpf des Kompaktmaterials entgegenzuwirken   und so für exakte Dicken und Oberflächenabbildungen entsprechend der Form zu sorgen. Mit dieser Maßnahme lassen sich zudem Mikrobläschen im Bauteil weitestgehend eliminieren.

 

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Das polyurethan-basierte Vitrox-Matrixsystem ist lackierbar und Dank bisher nicht erreichbarer Glasübergangstemperatur auch für den Hochtemperatureinsatz, z. B. in Motorraum- oder Bremssystemnähe, geeignet.

 

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Bauteile können reproduzierbar und qualitativ hochwertig  mit funktionellen Oberflächen in technisch robusten und bewährten Produktionskonzepten sowie in ergonomisch und wirtschaftlich sinnvollen Produktionsanlagen hergestellt werden – ein Muss für die Elektromobilität.

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