Strukturelle Sandwichbauteile mit prozessintegriert ausgeschäumtem Schaumkern

Autoren: Ch. Hopmann, R. Riedel, Ch. Karatzias

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe mit hohen Faservolumengehalten (FVG) stellen eine Werkstoffgruppe mit hohem Leichtbaupotenzial dar. Für ihren Einsatz in großflächigen Anwendungen, wie Kofferraumladeböden oder Verkleidungsteile von Schienenfahrzeugen [1], sind neben einer hohen Festigkeit vor allem hohe Steifigkeiten, exzellente Biegeeigenschaften sowie hohe Beul- und Knickstabilitäten gefordert [2]. Hier stoßen monolithische Bauteile an ihre Grenzen. Sandwichbauteile hingegen zeigen für ein solches Anwendungsspektrum besondere Vorteile und sind deswegen für derartige Leichtbauteile gut geeignet. Ihr hohes Leichtbaupotenzial ergibt sich aus der Abhängigkeit der Biegesteifigkeit vom Abstand der beiden Deckschichten in der zweiten Potenz. Die Auswirkung dieses Effekts ist beispielhaft in Bild 1 anhand des Bauteilgewichts und der Bauteildicke sowie der Bauteilsteifigkeit dargestellt. Die dargestellte Sandwichvariante weist im Vergleich zum monolithischen Bauteil bei gleicher Biegesteifigkeit ein um 82 % reduziertes Bauteilgewicht auf [3]. Der Einsatz von Sandwichelementen verspricht also eine signifikante Gewichtsreduzierung bei gleicher Steifigkeit. Insbesondere für Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) mit Endlosfaserverstärkung sind jedoch die Herstellungsverfahren von Sandwichbauteilen oft nicht wirtschaftlich und durch viele Prozessschritte gekennzeichnet.

 

Bild1-ai-pngBild 1: Leichtbaupotenzial von Sandwichbauteilen

 

Bild2-ai-pngBild 2: Möglichkeiten und Herausforderungen von Sandwichbauteilen mit Wabenkern

 

Potenziale und Einschränkungen bestehender Sandwichanwendungen
Sandwichbauteile im Automobilbereich werden häufig auf Basis von langglasfaserverstärkten Polyurethanen (PUR) hergestellt. Klassische Anwendungen sind großflächige Bauteile, auf die keine großen Lasten wirken wie zum Beispiel Kofferraumabdeckungen und Hutablagen [4][5][6][7][8]. Als Kernmaterial werden meist Papierwaben mit sehr geringen Raumgewichten in Kombination mit einem PUR-Sprühverfahren eingesetzt. Hierbei wird das PUR entweder als reines Matrixsystem auf eine Fasermatte (Baypreg-Verfahren [4]) oder als ein Langfaser-Matrix-Gemisch direkt auf einen Sandwichkern (Long Fiber Injection, Composite-Spray-Moulding, Fiber Composite Spraying [4][9][10]) aufgesprüht. Das PUR schäumt dabei die offenliegenden Waben bis zu einer gewissen Eindringtiefe aus und verschließt sie somit. Wabenkerne aus Papier weisen dabei eine gute Umformbarkeit auf und können bei einer Verarbeitung im Pressverfahren Dickensprünge im Bauteil in Grenzen abbilden (Bild 2, links). Durch die Wabenstruktur entstehen jedoch auch negative Effekte. Bei hohen Umformgraden bildet sich der so genannte „saddle-effect“ aus (Bild 2, rechts), das heißt, dass in senkrechter Richtung zur aufgebrachten Biegung eine zusätzliche Biegung induziert wird, die entsprechend bei der Auslegung des Bauteils berücksichtigt werden muss [11]. Ein weiterer Effekt ist der „telegraphing-effect“, der die Abzeichnung der Wabenstruktur auf der Oberfläche des Sandwichbauteils beschreibt und eine Herausforderung für den Einsatz von Wabenkernen in Bauteilen mit Sichtoberfläche darstellt [11][12][13].

 

Bild3-ai-pngBild 3: Weiterentwicklung des PUR-Sprüh-Nasspress-Prozesses für die Herstellung von Sandwichplatten

 

Ein Alternativmaterial zu Papierwabenkernen stellen geschlossenzellige Hartschäume dar, die hervorragende Isolationseigenschaften [14] und hohe Druckfestigkeiten aufweisen. Für die Einbringung von Inserts oder dem nachträglichen Einbringen von Verschraubungen ist bei der Verwendung von geschlossenzelligen Schäumen vorteilhaft, dass keine Feuchtigkeit in den Kern eindringen kann. Durch die geringe Porengröße im Vergleich zu Wabenkernen können darüber hinaus gute Bauteiloberflächen ohne Abzeichnungen erzielt werden [2]. Sie können entweder in Form von vorkonfektionierten, 3D-gefrästen Kernen (zum Beispiel AIREX oder ROHACELL) verarbeitet werden [2] oder während des Fertigungsprozesses zwischen zwei textilen Deckschichten im Formwerkzeug ausgeformt (PUR) werden [15][16]. Bei der Verwendung vorkonfektionierter Schaumkerne dringt das Material der Deckschicht aufgrund der Geschlossenzelligkeit der Hartschäume nur minimal in den Schaum ein, so dass diese im Gegensatz zu Wabenkernen auch zur Verarbeitung in Flüssigimprägnierverfahren mit nichtschäumenden, niedrigviskosen Matrixsystemen geeignet sind, bei denen wesentlich höhere Faservolumengehalte (FVG) als in den klassischen PUR-Sprühverfahren mit Langfaserverstärkung erreicht werden können. Sandwichbauteile mit endlosfaserverstärkten kompakten Deckschichten und einem hohen FVG sind damit auch für hochbelastete strukturelle Anwendungen geeignet. Nachteilig bei der Verwendung vorkonfektionier Schäume ist die geringe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens für komplexe Geometrien. Die Herstellung von komplexen, großflächigen Schaumkernen umfasst einen langwierigen Fräsprozess mit teilweise sehr hohen Verschnittmengen (bis zu 95 % für großflächige, dünnwandige Bauteile). Dies führt zu unwirtschaftlich hohen Materialkosten für den Schaum. Bei der direkten Ausformung des Schaumkerns im Fertigungsprozess bestehen bisher nur Anwendungen, bei denen das schäumende Kernsystem auch die Matrix für die Decklagen bildet. Trotz Endlosfaserverstärkung lassen sich in diesen Verfahren daher nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften erreichen, wie bei Sandwichbauteilen mit kompakten Decklagenmatrizes.

Für strukturelle Sandwichbauteile, die hohen Lasten standhalten müssen, liefert eine Kombination aus endlosfaserverstärkten kompakten Deckschichten mit hohem FVG und geschlossenzelligem Hartschaumkern, der im Fertigungsprozess direkt ausgeformt wird, die besten Ergebnisse hinsichtlich mechanischen und optischen Eigenschaften sowie Wirtschaftlichkeit. Eine Fertigungstechnologie zur Herstellung solcher Bauteile wird momentan am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen entwickelt. Durch eine Parallelisierung der Schaumkernausformung mit der Ausbildung der Deckschichten in einem Prozessschritt lässt sich eine effiziente und wirtschaftliche Herstellung dieser Bauteile auch für komplexe Geometrien realisieren. Arbeitsschritte wie die Vorkonfektionierung der Schaumkerne oder das Verkleben der Deckschichten mit dem Schaum werden somit eliminiert.

 

Bild4-ai-pngBild 4: Querschnitt von Sandwichproben mit geringer und hoher Schaummenge

 

Die Prozesstechnik
Um die Ausformung des Schaumkerns parallel zur Ausformung hochverstärkter Deckschichten (FVG von bis zu 50 Vol.-%) in einem Prozessschritt abzubilden, wird derzeit am IKV ein kombinierter PUR-Sprüh- und Pressprozess [17] für die Herstellung von Sandwichbauteilen mit endlosfaserverstärkten Deckschichten weiterentwickelt. Dabei wird zunächst ein trockener Preformaufbau vakuumunterstützt in einem PUR-Sprühprozess mit kompaktem Matrixmaterial imprägniert. Der hierbei entstehende „Prepreg“ wird dann in einem Nasspressprozess kompaktiert und vernetzt. Durch die Trennung der Verfahrensschritte „Imprägnieren“ und „Vernetzen“ können diese parallelisiert und somit die Gesamtzykluszeit des Nasspressprozesses deutlich reduziert werden. Da in dieser Prozesskette die Imprägnierung der Fasern bereits vor dem eigentlichen Nasspressprozess erfolgt, lassen sich auch bei vergleichsweise geringen Drücke (10–25 bar) im Pressprozess hohe Imprägnierqualitäten und ein geringer Porenanteil erzielen. Diese Prozesscharakteristika prädestinieren den kombinierten PUR-Sprüh- und Nasspressprozess zur Herstellung struktureller Sandwichbauteile mit prozessintegriert ausgeformtem PUR-Schaumkern und endlosfaserverstärkten kompakten PUR-Deckschichten.

Der Prozessablauf des kombinierten PUR-Sprüh- und Nasspressprozesses für die Herstellung von Sandwichbauteilen ist in Bild 3 dargestellt. Im Sprüh-Prozess werden die beiden Preforms für die Deckschichten zunächst imprägniert. Hierzu werden die Preforms übereinander auf einem perforierten Vakuumwerkzeug positioniert und mittels PUR-Sprühen mit Matrix benetzt. Das Vakuum unterstützt das Eindringen des Matrixsystems in den Preformaufbau und muss zur Erzeugung eines homogenen FVG im Bauteil so eingestellt werden, dass in beide Preforms die gleiche Menge PUR eindringt. Nach dem Imprägnierprozess wird der obere der Preforms zuerst in das Nasspresswerkzeug eingelegt und das PUR-Schaumsystem anschließend flächig zudosiert. Daraufhin wird der zweite Preform eingelegt und die Presse geschlossen. Während des Schließvorgangs wird die Kavität evakuiert, um den Luftanteil in der Kavität während des Pressvorgangs zu reduzieren. Die Presse verfährt daraufhin auf Abstandshalter, die die entsprechende Solldicke des Bauteils einstellen. Die Schäumreaktion startet damit mit Atmosphärendruck im Werkzeug, bis die Kavität gefüllt ist. Erst dann erfolgt eine Homogenisierung der Deckschichten und des Schaumkerns durch den von der Schäumreaktion erzeugten Forminnendruck.

 

Tabelle1-ai-pngTabelle 1: Verwendete Materialien und Lagenaufbau 

 

Analyse des Fertigungsprozesses
Der wirkende Forminnendruck zur Homogenisierung der Deck- und der Kernschichten ergibt sich im Prozess direkt aus dem entstehenden Schäumdruck. Die Bauteilqualität hängt somit bei gleichbleibender Bauteildicke direkt von der zudosierten Schaummenge ab. In Versuchen wurde daher der Einfluss der Schaummenge auf die Qualität der Kern- und der Deckschicht untersucht.

Für die im Folgenden vorgestellten Versuchsergebnisse sind die verwendeten Materialien beziehungsweise der verwendete Lagenaufbau für die Deckschichten in Tabelle 1 dargestellt. Die Versuche wurden mittels einer Hochdruckmisch- und -dosieranlage des Typs RIM-Star MiniDOS 8/8 der KraussMaffei Technologies GmbH, München, sowie einer Presse der Müller Weingarten AG, Weingarten, mit einer maximalen Presskraft von 2.000 kN durchgeführt.

Aufbauend auf vorangegangenen Untersuchungen mit monolithischen Bauteilen [17] wurde der FVG der Deckschichten während der Imprägnierung auf 38 Vol.-% eingestellt. Mit diesem FVG wird im Sprüh-Prozess eine homogene Imprägnierung über dem kompletten „Prepreg“ erzielt, so dass im Pressprozess auch bei relativ geringen Drücken (10–25 bar) eine gute Deckschichtqualität (gute Imprägnierung der Glasfasern sowie geringer Porenanteil) erreicht wird. Alle Versuche wurden mit einer Presswerkzeugstemperatur von 70 °C durchgeführt. In den Versuchen wurde die Schaummenge für die Kernschicht variiert. Iterativ wurde eine Schaummenge von 452 g als Mindestschaummenge definiert, die ein gleichmäßiges flächiges Verteilen des Materials auf dem bereits eingelegten „Prepreg“ per Hand erlaubt. Um den Einfluss der Schaummenge auf den sich ausbildenden Forminnendruck bzw. die sich ergebene Kern- und Deckschichtqualität eindeutig am Bauteil identifizieren zu können, wurde außerdem die doppelte Schaummenge, 904 g, untersucht.

Auf Bild 4 sind die Querschnitte von zwei Sandwichplatten dargestellt. Links ist der Versuchspunkt mit geringer und rechts mit hoher Schaummenge dargestellt. Bezogen auf die Qualität der Decklagen sind deutliche Unterschiede zwischen den beiden Prozesspunkten zu erkennen. Während bei dem Bauteil mit hoher Schaummenge eine gute Imprägnierqualität in der Deckschicht erzielt wird, weist das Bauteil mit geringer Schaummenge eindeutige Imprägnierfehler innerhalb der Faserbündel auf. Darüber hinaus ist in dem Bauteil mit geringer Schaummenge eine große Anzahl an Schaumporen aus der Kernschicht in die Decklage eingedrungen und teilweise bis an die Oberfläche gestiegen. Der durch den Schaum aufgebrachte Forminnendruck reicht also bei dieser geringen Schaummenge nicht aus, um eine ausreichende Kompaktierung und Homogenisierung der Deckschichten zu erzielen. Bezogen auf die Schaummorphologie weist das Bauteil mit geringer Schaummenge eine gleichmäßigere Struktur hinsichtlich Porengröße wie auch Verteilung auf. In der Kernschicht des Bauteils mit hoher Schaummenge liegen insbesondere zu den Deckschichten hin signifikant größere Schaumporen vor als in der Mitte der Kernschicht. Darüber hinaus lassen sich zwischen den Poren größere Bereiche erkennen, in denen keine Poren vorliegen. Diese Reinharzgebiete spiegeln sich auch im mehr als doppelt so hohen Raumgewicht von 645 kg/m³ (im Vergleich zu 295 kg/m³ für das Bauteil mit geringer Schaummenge) wider.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich mit der geringeren Schaummenge zwar eine gute Schaummorphologie erzeugen lässt, allerdings die Imprägnierung der Deckschichten diverse Fehlstellen aufweist und somit geringere mechanische Eigenschaften als für diesen FVG üblich zu erwarten sind. Die Platte mit der höheren Schaummenge weist sehr gute Imprägnierqualitäten in den Deckschichten auf. Allerdings weist sie ein signifikant höheres Raumgewicht auf, das dem Leichtbauaspekt von Sandwichbauteilen widerspricht.

Fazit und Ausblick
Die Weiterentwicklung des kombinierten PUR-Sprüh-Nasspress-Prozesses zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit prozessintegriert ausgeformtem PUR-Schaumkern und endlosfaserverstärkten kompakten PUR-Deckschichten ermöglicht erstmals die Ausformung des Schaumkerns im Formgebungs- und Vernetzungsschritt. Dadurch kann auf teure vorkonfektionierte Schaumkerne verzichtet werden. Zur weiteren Verbesserung des Leichtbaupotenzials wird sowohl die Erzeugung geringerer Raumgewichte im Schaumkern, wie sie bei vorkonfektionierten Schäumen üblich sind (ca. 100 kg/m³), als auch ein höherer FVG in den Deckschichten angestrebt. Referenz für den FVG sind monolithische Platten, die bei einem FVG von 50 Vol.-%, hergestellt im Nasspressverfahren mit PUR-Matrix, auch bei relativ geringen Drücken (10-25 bar) gute Bauteilqualitäten erzielen. Dieses soll erreicht werden durch die prozessspezifische Anpassung der PUR-Materialsysteme für den Schaumkern und die Decklagen sowie durch den Aufbau eines umfassenden Prozessverständnisses.

Dank
Die vorgestellten Arbeiten werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell gefördert. Ihr gilt unser ausdrücklicher Dank.
Darüber hinaus gilt unser Dank der Rühl Puromer GmbH für die Bereitstellung der Polyurethansysteme sowie der KraussMaffei Technologies GmbH für die Bereitstellung einer Misch- und Dosieranlage.

Literaturverzeichnis
[1] Kuppinger, J; Henning, F.: PURtrain - Hybride Sandwichbauweisen für Schienenfahrzeuge. Kunststoffe 102 (2012) 10, S. 175-180
[2] Goldmann, F.: Die leichte Balance. Kunststoffe 100 (2010) 9, S. 194-196
[3] Pflug, J.; Verpoest, I.: Sandwich Materials Selection Charts. Journal of Sandwich Structures and Materials, 5 (2006) 8, S. 407-421
[4] Mack, T.; Panzer, U.: PUR-LFI-Wabentechnik, ein Verfahren zur Herstellung biegesteifer Leichtbauteile. FAPU 24 (2004) 4
[5] Stamp, B.: Material- und Prozesscharakterisierung zur Herstellung von Sandwichleichtbauteilen mit Papierwabenkern und thermoplastischen faserverstärkten Deckschichten für die Anwendung im Fahrzeuginterieur. Universität Stuttgart, Dissertation, 2013
[6] N. N.: FAHRZEUGBAU. URL: www.swap-sachsen.de, 18.09.2015
[7] N. N.: Stabil und leicht für mehr Effizienz – PUR-Verarbeitungsverfahren fürs Auto-Exterieur. URL: www.kraussmaffei.de, 13.08.2015
[8] N. N.: X-Cell.URL: www.greiner-perfoam.com, 13.08.2015
[9] N. N.: Mit Sicherheit leicht! – Herstellung von Faserverbund-Motorhauben. URL: www.pressebox.de.14.08.2015
[10] Le Gault, M.: Processing within the PUR cure window. Composite World, 04.01.2014
[11] Riss, F.; Schilp, J.; Reinhart, G.: Load-dependent Optimization of Honeycombs for Sandwich Components – New Possibilities by Using Additive Layer Manufacturing. Physics Procedia 56 (2014), S. 327-335
[12] Heimbs, S.; Middendorf, P.: Honeycomb Sandwich Material Modeling for Dynamic Simulations of Aircraft Interior Components. 9th International LS-DYNA Users Conference. Dearborn, Michigan, USA, 2006
[13] N. N.: HexWebTM Honeycomb Sandwich Design Technology. Publication No. AGU 075b, Hexcel Composites, Duxford, 2000
[14] Bertram, F.: Polyurethane (PUR). Kunststoffe 95 (2005) 10 S. 161-167
[15] Buffel, B.: Development of tool for the analysis and prediction of the mechanical properties of glass fibre reinforced polyurethane foam sandwich panels. Katholieke Universiteit Leuven, Belgien, Dissertation, 2014
[16] Kraus, J.: Hochbelastbare Sandwichbauteile in einem einstufigen Prozess herstellen. URL: www.maschinenmarkt.vogel.de, 10.07.2015
[17] Hopmann, Ch.; Bastian, R.: Faserverstärkte Kunststoffe - Tauglich für die Großserie. ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift 115 (2013) 4, S. 22-27

 

Regina-Riedel-jpgBiografie
Regina Riedel, M.Sc., hat an der RWTH Aachen Maschinenbau mit der Spezialisierungsrichtung Kunststofftechnik studiert. Seit September 2013 arbeitet sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Faserverstärkte Kunststoffe im Bereich Preforming und PUR-Sprühverfahren am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RTWH Aachen.

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