Neue Märkte für die PU-Pultrusion

Wolfgang Hinz, KraussMaffei Technologies GmbH, München
Benedikt Kilian, Covestro Deutschland AG, Leverkusen

Die Pultrusion steht vor einem Leistungssprung: Zusammen mit Covestro und weiteren Partnern ist es KraussMaffei mit den neuen „iPul“-Anlagen gelungen, die Pultrusionsgeschwindigkeiten auf bis zu drei Meter pro Minute zu steigern. Covestro bietet für die neue Anlagentechnologie Polyurethan(PU)-Werkstoffe an, die eine Fertigung im industriellen Maßstab erlauben. Beide Unternehmen wollen gemeinsam mit ihren Kunden Anwendungen und Märkte erschließen, die der Pultrusion bisher verschlossen waren.

Die Pultrusion ist eines der wenigen industriellen Verfahren zur kontinuierlichen Produktion hochgefüllter, endlosfaserverstärkter Composite-Profile. Der globale Markt für Pultrudate wächst derzeit nach Schätzungen des Marktforschungsunternehmens Lucintel mit jährlichen Raten von rund 5,1 %. Er hatte im Jahr 2016 ein Volumen von 1,54 Mrd. US-Dollar. Wichtigste Abnehmer waren die Konsumgüter-, Bau- und Chemieindustrie (Abb. 1).

 

Bild 1 Profile

Abb. 1: Beispiele für pultrudierte Profile mit PU-Matrix (Bildquelle: Covestro)

 

Das Verfahren geht von Endlosfaser-Rovings aus, die in der Regel aus Glas, Carbon, Basalt oder Aramid bestehen. Sie werden kontinuierlich von Faserregalen abgezogen und in einer Injektionsbox mit der flüssigen Matrix eines duroplastischen Harzsystems durchtränkt und imprägniert. Der Faserverbund härtet unter Wärmezufuhr in einem Werkzeug aus. Greifer hinter dem Werkzeug ziehen das ausgehärtete Profil kontinuierlich weiter, weshalb das Verfahren auch als Strangziehen bezeichnet wird. Nach dem Abkühlen konfektioniert eine mitlaufende Säge den Profilstrang. Das Resultat sind gerade Profile mit in der Regel konstantem Querschnitt, die sich bei geringem Gewicht durch eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit in Faserrichtung auszeichnen.

 

Lineare und gekrümmte Profile

KraussMaffei hat in die Entwicklung von „iPul“ (Abb. 2) sein Know-how als Marktführer in der Dosiertechnik für Faserverbundwerkstoffe und seine Expertise in der Extrusion eingebracht. Erstmals können Pultrudeure schlüsselfertige Komplettanlagen erwerben, in denen die Anlagen-, Prozess- und Werkzeugtechnologie „aus einer Hand“ stammen und sich wichtige Verfahrensparameter wie die Austragsleistung oder Abzugsgeschwindigkeit zentral steuern lassen. Bisher mussten Verarbeiter ihre Anlagen aus Einzelkomponenten verschiedener Anbieter zusammenstellen, was zu Abstimmungsproblemen zwischen den einzelnen Komponenten und Nachteilen in puncto Fertigungseffizienz und -komfort führte.

 

Bild 2 Pultrusionsanlage

Abb. 2: Die neuen „iPul“-Anlagen kombinieren die direkte Injektion des Matrixmaterials mit dem Radius-Pultrusionsverfahren. Das Resultat sind höhere Produktionsgeschwindigkeiten. (Bildquelle: KraussMaffei)

 

Das „i“ in „iPul“ steht für „injected, innovative, integrated and industrialized“. In den neuen „iPul“-Maschinen erfolgt das Tränken der Fasern nicht mehr offen, sondern mittels einer Dosiermaschine in einer geschlossenen Injektionsbox. Die direkte kontinuierliche Injektion des Matrixmaterials hat mehrere Vorteile gegenüber den bisher gängigen Wannen- und Durchziehverfahren. Die Anlagen sind kompakter und schützen die Belegschaft des Pultrudeurs vor Geruchsbelästigung und potenziell gesundheitsschädlichen Emissionen. Vor allem aber können die Pultrusionsgeschwindigkeiten u. a. durch eine spezielle Temperaturführung beim Aushärten und durch konstruktive Maßnahmen von bislang 0,5 bis 1,5 Meter pro Minute deutlich gesteigert werden. Dieser „Effizienzsprung“ ermöglicht Anwendungen, die der Pultrusion bisher aus Kostengründen verschlossen waren. Angeboten werden darüber hinaus Anlagenvarianten, mit denen per Radiuspultrusion zwei- und dreidimensional gebogene Profile herstellbar sind. Hierzu kooperierte KraussMaffei eng mit der Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG (Thomas Technik), Bremervörde, dem Erfinder der Radius-Pultrusion.

 

Harze mit höherer Reaktivität einsetzbar

Ein weiterer Vorzug der neuen Anlagentechnik ist ihre Flexibilität und Präzision. Durch die Injektionsbox und die Dosiertechnik mit einem neu entwickelten Mischkopf ist es nicht nur möglich, sehr unterschiedliche Harze zu verarbeiten. Vielmehr können ohne Probleme auch Systeme mit höherer Reaktivität wie etwa PU pultrudiert werden. Die Rezepturen lassen sich dabei präzise auf die Bauteilanforderungen abstimmen. Die Injektion des Matrixmaterials erfolgt unter Niederdruck, was Kosten spart. Die Innendrücke in der Injektionsbox liegen zwischen 5 und 100 bar. Injektionspunkte sind produktspezifisch und individuell einstellbar. Additive wie Flammschutzmittel, Trennmittel, Farbpigmente oder Füllstoffe können direkt zugegeben werden. Der Einsatz von Fasergeweben und -gelegen ist ebenfalls möglich.

Der Profilstrang wird über einen synchronisierten Puller mit Spindelantrieb oder bei Profilen mit einfacher Geometrie per Raupen- oder Bandabzug gezogen. Nach der Injektionsbox durchläuft der Strang ein formgebendes Werkzeug mit drei oder mehr einzeln regelbaren Heizzonen.

„iPul“ eignet sich auch zur Pultrusion thermoplastischer Materialien. Derzeit wird die Anlagentechnik so modifiziert, dass künftig zum Beispiel auch Polyamid 6 pultrudiert werden kann. Thermoplastische Matrices werden u. a. benötigt, wenn das Bauteil schweißbar sein soll.

 

Kompetenznetzwerk Pultrusion

PU-Harze finden schon seit längerem in der Pultrusion Verwendung. Sie sind mit ihrem Leistungsprofil eine Alternative zu Harzsystemen, die in der Pultrusion etabliert sind. Sie eignen sich außerdem in vielen Anwendungen zur Substitution anderer Materialien wie Thermoplaste und Holz oder Metallen wie Stahl oder Aluminium. Ihr Einsatzpotenzial ist trotz der Vorteile, die sie bieten, noch nicht voll ausgeschöpft. Diese Chancen lassen sich im industriellen Maßstab nur dann nutzen, wenn neben maßgeschneiderten Materialien auch eine leistungsfähige, auf PU-Harze zugeschnittene Anlagen- und Prozesstechnik bereit steht, mit der wettbewerbstaugliche Bauteillösungen umsetzbar sind.

 

Bild 3 Windkraftanlage

Abb. 3: Zukunftsmarkt Windkraft: Pultrudierte Spar Caps zur Versteifung von Rotorblättern (Bildquelle: Covestro)

 

Dies war vor etwa zwei Jahren für Covestro und KraussMaffei Anlass, miteinander zu kooperieren. Der international führende Hersteller von Spritzgieß-, Reaktions- und Automatisierungstechnik arbeitet eng mit Anbietern von Harzsystemen in einem Kompetenznetzwerk Pultrusion zusammen. Dessen Ziel ist, durch gemeinschaftliche Werkstoff- und Verfahrensentwicklungen die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zu verbessern und so zu neuen Anwendungen zu kommen. Einen aktuellen Zwischenstand über die bisherigen Ergebnisse gab der Ende Juni dieses Jahres bei KraussMaffei in München veranstaltete „Competence Day Pultrusion“ (http://www.kraussmaffei.com/rpm-de/pultrusion.html). Bei dem Event wurde die neue „iPul“-Anlage das erste Mal der Öffentlichkeit präsentiert. Außerdem wurde mit einem PU-System von Covestro ein quadratisches Hohlprofil mit einer Produktionsgeschwindigkeit von zwei Meter pro Minute und guter Qualität gefertigt. Zudem wurden dort neben „iPul“ maßgeschneiderte Materiallösungen für die Bau-, Windkraft-, Automobil- und Luftfahrtindustrie vorgestellt (Abb. 3). Weiterhin wurden die Möglichkeiten der Radius-Pultrusion ausgelotet.

 

PU-Harze im Vergleich

PU-Harz hat gegenüber etablierten Werkstoffen für die Pultrusion – wie Epoxid-, ungesättigten Polyester- oder Vinylesterharzen – deutliche Vorteile. Seine geringere Viskosität, die gute Benetzung der Fasern sowie die hohe Reaktivität erlauben im Vergleich zu Epoxid-Harzen höhere Prozessgeschwindigkeiten, was die Produktionskosten senkt. Außerdem ergibt es Bauteile mit einer besseren Oberflächenqualität.

Die mechanischen Eigenschaften von PU-Pultrudaten – wie zum Beispiel die Festigkeit und Steifigkeit – sind mit denen von Epoxid-Harzen vergleichbar. Im Vergleich zu Polyester-Harzsystemen sind sie deutlich höher. PU-Bauteile sind dadurch stärker beanspruchbar als ihre Pendants aus Polyester-Harzen. Alternativ können bei gegebener Belastung die Wanddicken reduziert und Bauteile leichter ausgelegt und somit der Materialeinsatz sowie die Bauteilkosten gesenkt werden. Ein weiterer Vorzug der höheren mechanischen Leistungsfähigkeit von PU-Harz ist, dass sie eine Faserverstärkung quer zur Profilrichtung – etwa durch den Einsatz von Geweben oder Matten – überflüssig machen kann. Die Folge sind ein einfacherer Prozess und geringere Fertigungskosten.

Generell sind die Verarbeitungseigenschaften von PU-Systemen – wie etwa die Reaktionszeit und Viskosität – breit variierbar. Sie können präzise an den jeweiligen Fertigungsprozess und die Bauteilanforderungen angepasst werden. Die Viskosität lässt sich beispielsweise so steuern, dass filigrane Bauteilgeometrien fehlerfrei abgebildet werden.

 

Zwei PU-Harz-Produktreihen

Covestro bietet für die Pultrusion die PU-Systeme Baydur PUL und Desmocomp an. Sie sind weltweit in einheitlich hoher Qualität verfügbar. Die beiden Produktgruppen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und ihrem Einsatzfokus. In enger Zusammenarbeit mit seinen Kunden kümmert sich Covestro um das anwendungsspezifische „Feintuning“ dieser Pultrusionsmaterialien.

 

Bild 4 Fensterprofil

Abb. 4: Die PU-Rahmenkomponenten tragen wesentlich dazu bei, dass die Fenster und Türen luftdicht sowie sehr wärmedämmend sind und damit Heizenergie einsparen. (Bildquelle: Internorm International GmbH)

 

Baydur PUL sind flüssige, zweikomponentige PU-Systeme. Die daraus hergestellten Pultrudate zeigen eine ausgezeichnete Steifigkeit, Bruchdehnung, Scherfestigkeit und Schlagzähigkeit. Weitere Stärken sind die hohe Flammwidrigkeit, das herausragende Wärmedämmverhalten, die Korrosionsbeständigkeit, die geringe Kriechneigung und die niedrige lineare Längenausdehnung. Diese Eigenschaften haben den Ausschlag gegeben, aus Baydur PUL Profile für Türen und Fenster herzustellen (Abb. 4). Substituiert werden bei vergleichbaren Produktionskosten Aluminiumprofile. Die PU-Profile sind mechanisch stabiler – auch als PVC-Profile –, schallisolierender, luftdichter und vor allem wärmedämmender. Fensterprofile sind ein attraktives Einsatzgebiet von PU-Pultrusionsharzen, das nach Einschätzung von KraussMaffei mit jährlichen Raten von rund zehn Prozent stark wachsen wird. Die Fertigungsgeschwindigkeiten für Fensterprofile mit herkömmlichen Pultrusionsanlagen lagen bislang bei etwa 0,4 Meter pro Minute. Mit der „iPul-Technologie“ könnten die Geschwindigkeiten deutlich erhöht werden.

 

UV-beständig und witterungsstabil

 

Bild 5

Abb. 5: Pultrudierte Profile mit Desmocomp (Bildquelle: Covestro)

 

Desmocomp ist ein PU-System, das auf aliphatischen PU-Rohstoffen basiert. Daraus hergestellte Pultrudate zeichnen sich durch eine ausgezeichnete inhärente UV-Beständigkeit und Witterungsstabilität aus und sind daher auch für den Außeneinsatz geeignet (Abb. 5). Darüber hinaus sind die Composites einfärbbar, flammwidrig und beständig gegen Chemikalien. Sie besitzen Anti-Graffiti-Eigenschaften und exzellente mechanische Eigenschaften (Abb.6). Zum Beispiel sind die transversalen Biege- und interlaminaren Scherfestigkeiten höher als bei Pultrudaten auf Basis von Epoxid-, ungesättigten Polyester- und Vinylesterharzen. Das einkomponentige PU-System ist einfach bei langen Topfzeiten zu verarbeiten und härtet schnell aus. Desmocomp wurde 2017 auf der internationalen Composite-Messe JEC World in Paris in der Kategorie „Rohstoffe“ mit dem „JEC Innovation Award“ ausgezeichnet.

 

Bild 6 Desmocomp

Abb. 6: Die Seitenteile des Prototyps eines wetterfesten Transportbehälters u. a. für Pick-ups und Pritschenfahrzeuge können mit Desmocomp nicht nur leichter, sondern auch kostengünstiger als mit Stahlblech gefertigt werden. (Bildquelle: Sortimo)

 

Bild 7

Abb. 7: Konstant umlagert: Mehr als 200 Besucher informierten sich am KraussMaffei Competence Day Pultrusion über die neue iPul-Anlage(Bildquelle: KraussMaffei)

 

Gewusst wie! – Kundenservice von A bis Z
KraussMaffei und Covestro verfügen über langjährige Erfahrung in der Composite-Technik. Beide Unternehmen sind bestens mit den Strukturen, Trends und wichtigsten Playern der Branche vertraut. Diese Erfahrung und Expertise kommen in Zukunft auch den Pultrudeuren zugute. Zusätzlich profitieren Entwicklungspartner vom Know-how, das Covestro als einer der weltweit führenden Anbieter von PU-Beschichtungsrohstoffen bei der Lackierung u. a. von Kunststoffteilen hat. Außerdem hat der Polymer-Hersteller große Erfahrung in der Faserbeschichtung und bietet zum Beispiel mit den wässrigen PU-Dispersionen Baybond Filmbildner für Glas- und Carbonfaserschlichten an.

Beide Unternehmen unterstützen ihre Kunden aus der Pultrusionsbranche überall auf der Welt mit einem umfangreichen technischen und kaufmännischen Service. Covestro entwickelt für seine Kunden individuell zugeschnittene Materialien. KraussMaffei bietet Partnern eine nach ihren spezifischen Bedürfnissen optimierte Anlagentechnik. Beide Unternehmen verstehen sich als Anbieter ganzheitlicher Komplettlösungen. Die Serviceleistungen für Kunden reichen von der Konzeptphase, Bauteilanalyse und Materialwahl über die Konstruktion, Werkzeug- und Anlagenauslegung bis hin zum Serienstart und der Produktion. Zu den Leistungen von Covestro zählen zum Beispiel:

  • Support bei der Umstellung einer Pultrusionsanlage auf PU-Systeme
  • Unterstützung beim Design der Injektionsbox und zur Werkzeugauslegung
  • Simulation des Pultrusionsprozesses etwa hinsichtlich des Wärmetransports und der Vernetzung
  • Simulation typischer Lastfälle, die das Pultrusionsbauteil bestehen muss
  • Bereitstellung von Materialkennwerten, die im zertifizierten Prüflabor von Covestro ermittelt wurden
  • Trouble-Shooting beim Anlauf der Produktion

KraussMaffei unterstützt seine Kunden beispielsweise

  • Mit Studien zur Machbarkeit eines Bauteils und mit der Simulation der Faserinfiltration
  • Bei der prozessorientierten Auslegung, Entwicklung und Produktion von Bauteilen
  • Bei Materialversuchen und der Prototypenherstellung im hauseigenen Pultrusionslabor
  • Bei der Optimierung der Schnittstellen zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten.
  • Mit Support bei der Automatisierung der Konfektionierung und Lagerung der Profile

 

Ausblick – Entwicklungsprojekte für die Pultrusion
Covestro und KraussMaffei nutzen ihr breites Wissen bei faserverstärkten Composites auf Thermoplast- und Duroplast-Basis, um das Einsatz- und Leistungsspektrum der Pultrusion durch Innovationen in puncto Prozess und Materialien zu erweitern. Grundsätzliches Ziel ist, das Verfahren weiter zu industrialisieren. Dabei kooperieren beide Firmen nicht nur eng mit namhaften industriellen Partnern, sondern auch mit Forschungsinstituten und Universitäten.
Covestro arbeitet beispielsweise an der Verstärkung der PU-Systeme mit anderen Endlosfasern aus Carbon. Zukünftig soll der Prozess zudem für die Verwendung von Metall-, Natur- oder Aramid-Fasern qualifiziert werden. Weitere Forschungsthemen sind die Einfärbung von PU-Pultrudaten sowie die Weiterentwicklung aliphatischer, lichtechter PU-Harzsysteme. Ein weiterer Fokus liegt auf PU-Systemen, die Bauteile mit noch besseren mechanischen Eigenschaften ergeben, und auf neuen Katalysatoren und PU-Systemen, die höhere Fertigungsgeschwindigkeiten und einen einfacheren Prozess ermöglichen.

Schwerpunkte der Entwicklungsarbeit von KraussMaffei sind u.a. die weitere Automatisierung des Prozesses, die Optimierung der Prozess- und Qualitätsüberwachung und höhere Pultrusionsgeschwindigkeiten bei stabilem Prozess. Weiterhin konzentriert sich der Maschinenhersteller auf die Pultrusion von Profilen mit sehr ausgeprägter geometrischer Komplexität (z. B. mit mehreren Hohlkammern und unterschiedlichen Wandstärken) und auf eine gesteigerte Produktivität durch Mehrfachkavitäten.

 

Bild 8

Abb. 8: Haben mit der neuen iPul-Anlage einen Nerv am Markt getroffen: Daniel Lachhammer, Nicolas Beyl, Josef Renkl und Wolfgang Hinz von KraussMaffei (v. l.) (Bildquelle: KraussMaffei)

 

Autoren:
Wolfgang Hinz ist Produkt- und Vertriebsmanager in der Business Unit Composites/Surfaces im Segment Reaktionstechnik der KraussMaffei Technologies GmbH, München. Der studierte Betriebswirt (FH) ist seit 2002 bei KraussMaffei, seit 2012 in der BU Composites/Surfaces tätig.  

 

Foto Kilian 20140213 1145 700 6974 smallBenedikt Kilian studierte Wirtschaftsingenieurwesen mit Fachrichtung Maschinenbau an der RWTH Aachen und ist seit 2015 bei der Covestro Deutschland AG als Projektleiter im Bereich „Processing and Application Technology“ in der Business Unit Polyurethanes tätig.

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