Kostengünstige Produktion endlosfaserverstärkter/D-LFT-Bauteile Endlosfaserverstärkte Verbundkunststoffe sind widerstandsfähig und leicht

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Endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundhalbzeuge kommen im Materialmix mit thermoplastischen Formmassen immer häufiger bei der Fertigung von besonders robusten Komponenten des Pkw-Unterbodens zum Einsatz. Jüngstes Beispiel ist der Triebwerksschutz für erste Fahrzeuge verschiedener Modellreihen, die ein großer deutscher Automobilhersteller in sogenannte Schlechtwegeländer liefert. Die Material-Kombination aus ist nicht nur leichter als das Bauteil aus Aluminium, sondern auch widerstandsfähiger gegen Durchdringung und Schädigung. Der Unterbodenschutz besteht aus endlosfaserverstärkten PP-Platten, die in Kombination mit extrudiertem Direct Long Fiber Thermoplastic (D-LFT) zum Bauteil gepresst werden.

Endlosfaserverstärkte Verbundkunststoffe sind widerstandsfähig und leicht

Thermoplastische Verbundhalbzeuge der Marke Tepex werden von der Bond-Laminates, einer Tochtergesellschaft von Lanxes mit Sitz in Brilon, entwickelt und hergestellt. Die plattenförmigen Halbzeuge aus endlosfaserverstärktem Kunsttsoff zählen zu den Organoblechen. Sie haben eine Matrix aus Polypropylen (PP), Polyamid (PA) 6 oder 66, thermoplastischem Polyurethan oder anderen Thermoplasten. Sie ist üblicherweise mit Endlosfasergeweben oder -gelegen, Langfasermatten oder Vliesen zum Beispiel aus Glas-, Carbon- oder entsprechenden Mischfasern verstärkt. Im Fall von Geweben sind die Fasern meist rechtwinklig zueinander angeordnet und verteilen sich in beide Richtungen gleich, was als balanciert bezeichnet wird. Häufig ist die Matrix auch mit sogenannten kettstarken Geweben verstärkt. Sie weisen einen deutlich höheren Faseranteil in einer bestimmten Richtung auf, so dass die Fasern hauptsächlich unidirektional orientiert sind. Wichtige Eigenschaften der Halbzeuge – wie zum Beispiel Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeausdehnung – sind dann richtungsabhängig (anisotrop).

Der Konstrukteur sollte den Kraftfluss im auszulegenden Bauteil möglichst vollständig über die Endlosfasern führen, damit die für faserverstärkte Bauteile typischen hohen Steifigkeiten und Festigkeiten in Faserrichtung voll nutzbar sind. Bauteile aus Tepex können Zugfestigkeiten erreichen, die deutlich höher sind als beim Einsatz von Stahl oder Druckgussmetallen.

Serienbewährt im automobilen Leichtbau

Die endlosfaserverstärkten Verbundhalbzeuge sind die bisher einzigen Composite-Materialien dieser Art, die sich breit in der Großserienfertigung von Automobil-Leichtbauteilen etabliert haben. Ein großes Einsatzgebiet sind Strukturbauteile wie etwa Sitzschalen, Batteriehalter, Modulträger, Bremspedale und hintere Stoßfängerträger. Eine künftige Anwendung ist der Türmodulträger für ein Fahrzeug der Kompaktklasse. Die Bauteile werden per Hybrid Molding gefertigt. Dabei wird ein Halbzeugzuschnitt zunächst verformt und dann mit einem kurz- oder langglasfaserverstärkten Thermoplast hinterspritzt, um Funktionen zu integrieren und Verstärkungsrippen anzubringen.

Leistungssteigerung beim Fließpressverfahren

Ein anderer Anwendungsfokus sind Pkw-Unterbodenverkleidungen wie etwa Motorraumabschirmungen oder Tank-, Tunnel- und Nachschalldämpferabdeckungen. Hergestellt werden diese in Fließ- und Formpressverfahren, in denen die endlosfaserverstärkten Halbzeuge aus PP oder PA mit anderen Materialien wie D-LFT (Direct Long Fiber Thermoplastic), L-WRT (Low Weight Reinforced Thermoplastics) oder GMT (glasmattenverstärkten Thermoplastsystemen) zu einem maßgeschneiderten Materialmix kombiniert werden. Dabei entstehen in kurzen Zykluszeiten großflächige, aber leichte und robuste Bauteile. Die Fertigung ist wegen der niedrigen Werkzeugkosten auch bei kleinen bis mittleren Stückzahlen wirtschaftlich. Die Halbzeuge aus PP oder PA dienen je nach Belastungssituation als ein- oder beidseitige Decklage, um besonders belastete Bauteilbereiche gezielt zu verstärken. Im zweiten Fall entstehen Sandwich-Strukturen, die die Steifigkeit, Festigkeit und Energieaufnahme eines Pressbauteils stark erhöhen. Zum Beispiel sind D-LFT-Polypropylen-Materialien in Kombination mit Tepex in ihren mechanischen Eigenschaften GMT- und mit Gewebe verstärkten GMT-Systemen auf PP-Basis durch den wesentlich höheren Faservolumenanteil im Tepex überlegen.

Technik im Detail

Faser-Matrix-Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix

Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)

Man unterscheidet zwei LFT-Verfahren. Bei dem G-LFT Verfahren werden lange Fasern in Granulatform (zum Beispiel Polypropylenmatrix) aus einem offenen Extruder direkt in eine Pressform gebracht und umgeformt. Beim D-LFT Verfahren wird in einem Extruder die Matrix plastifiziert und in einem Mischer mit auf Länge gekürzten Endlosfasern vermengt. Das faserhaltige Plastifikat wird dann in Form gepresst.

Glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)

Glasmattenverstärkte Thermoplaste sind ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Obwohl das Wort Glasfaser in der Bezeichnung vorkommt, existieren auch kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste. In GMT kommt die Verstärkungsfaser in Form von Kurz- und Langfasern vor. Durch die wirre, unvernadelte Form der Fasern sind große Umformgrade möglich. GMT wird in der Heißpresstechnik verarbeitet. Im Gegensatz zu SMC oder BMC wird es nicht für Sichtteile eingesetzt. Die Festigkeiten sind niedriger als bei Halbzeugen mit duroplastischer Matrix. Der geringe Preis, gerade in der Kombination mit Polypropylen, macht GMT dennoch attraktiv. Bauteile aus GMT haben bezüglich ihrer elastischen Eigenschaften oft keine Vorzugsrichtung mehr. Sie sind somit ein quasiisotropes Laminat.

(Quelle: Faser-Matrix-Halbzeug bei Wikipedia.org vom 11. August 2017)

Starker Unterbodenschutz für Fahrzeuge

Großes Anwendungspotenzial für die endlosfaserverstärkten Halbzeuge besteht vor allem bei Unterbodenverkleidungen von Fahrzeugen, die durch Steinschlag und im Extremfall durch Aufsetzen härtesten Belastungen ausgesetzt sind. Zum Beispiel stattet ein deutscher Automobilhersteller erste Fahrzeuge verschiedener Modellreihen, die in sogenannte Schlechtwegeländer geliefert werden, mit einem Triebwerksschutz aus einem besonders widerstandsfähigen Composite-Aufbau aus Tepex und einer D-LFT-Masse aus. Bisher bestanden die Verkleidungen aus einem polypropylenbasierten Verbund aus GMT und gewebeverstärktem GMT.

Hersteller des Triebwerksschutzes ist GSI Deutschland, Hörgertshausen. Die Bauteile wurden von der Polytec Group aus Hörsching, Österreich, gemeinsam mit Lanxess entwickelt. Die Fertigung der Verkleidungsteile erfolgt mit Tauchkantenwerkzeugen, wie sie auch für GMT und verwandte Materialien zum Einsatz kommen. Der Einleger besteht aus einem Tepex-Zuschnitt, dessen PP-Matrix mit einem Glasfasergewebe aus 47 Volumenprozent Endlosglasfaser-Rovings verstärkt ist. Er wird erhitzt und parallel dazu wird die notwendige Menge D-LFT-Masse, die 5 bis 50 mm lange Glasfasern enthält, extrudiert. Beides wird in ein Presswerkzeug gebracht und verformt. Es entstehen Bauteile, die motorseitig – also auf der Seite der Zugbelastung – eine 1mm dicke Oberfläche aus dem endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoff aufweisen. Die Dicke der D-LFT-Schicht wird je nach Anforderung gewählt. Diese Materialkombination ist wirtschaftlicher als die bisherige Verbund-Ausführung, weil sich D-LFT als Direktextrudat besonders kostengünstig herstellen lässt. Außerdem hat es den überwiegenden Mengenanteil am Bauteil.

Beständig gegen Durchdringung

Der Verbundaufbau ist wegen der Zähigkeit der endlosfaserverstärkten Deckschicht und ihrer hohen Zugfestigkeit bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten deutlich widerstandsfähiger gegen eine Durchdringung und Schädigung beim Überfahren oder Aufsetzen auf Gegenstände als die bisherigen Materiallösungen. Während bei quasistatischer Belastung eine Festigkeit von 400 MPa gemessen wird, steigt diese bei Impact-Belastung auf 600 MPa. Zum Beispiel übersteht der Verbundaufbau, wie in einem Belastungstest geprüft, die Überfahrt über einen Stahlpoller, dessen Höhe auf 10 mm Überschneidung zum kritischsten Punkt des Fahrzeugunterbodens eingestellt wird.

Alternative zu Stahl und Aluminium

Der Anbieter erwartet, dass sich die Tepex-D-LFT-Verbunde in der Fertigung von Verkleidungen zum Schutz des Fahrzeugunterbodens weiter durchsetzen werden. Vielfach werden solche Bauteile noch aus Stahl oder Aluminium produziert, was aber unter anderem Nachteile hinsichtlich des Gewichts hat. Die Batteriesysteme von Elektrofahrzeugen werden bisher vor allem mit vergleichsweise schweren Aluminium-Platten geschützt. Die Verbundbauweise mit Tepex ergibt dagegen wesentlich leichtere und robustere Bauteile. Der Triebwerksschutz ist in der Tepex-D-LFT-Verbundbauweise gegenüber einem vergleichbaren Bauteil aus Stahl über 60 Prozent leichter. Bei der Substituierung von Aluminium erreicht man eine Gewichtseinsparung von bis zu 20 Prozent. Hinzu kommt, dass die Verbundabschirmungen auch ein besseres akustisches Verhalten zeigen, weil sie etwa bei Steinschlägen geräuschdämmend wirken.

Projektgruppe Automotive für Tepex gegründet

Der Spezialchemie-Konzern hat wegen der wachsenden Zahl an Serienanwendungen, in denen die endlosfaserverstärkten Thermoplast-Halbzeuge im Leichtbau von Fahrzeugen eingesetzt werden, eine Projektgruppe „Technisches Marketing & Business Development Tepex Automotive“ eingerichtet. Das Team unterstützt Projektpartner überall auf der Welt bei allen Schritten zur Entwicklung von Leichtbauteilen bis hin zum Serienstart. Ziel ist, bereits in der Konzeptphase die Weichen so zu stellen, dass die Entwicklung eines Bauteils hinsichtlich Werkstoff, Gewicht, Verarbeitung und Kosten erfolgreich verläuft. Die Gruppe sieht sich als Schnittstelle sowohl zu CAD-Konzepten und der simulativen Bauteil- und Verfahrensauslegung als auch zu Werkzeugmachern und Herstellern von Verarbeitungs- und Handlingstechnologien für Tepex.

Informationen zur Verarbeitung für Ingenieure

Lanxess hat außerdem eine Verarbeitungsbroschüre zu dem Composite-Material herausgebracht. Sie richtet sich an Ingenieure, aber auch technisch interessierte Leser – etwa aus dem Marketing oder Einkauf. Sie beschreibt die Eigenschaften der Verbundhalbzeuge, ihr Leichtbaupotenzial, die Produktfamilien und die Verfahren zu ihrer Verarbeitung. Vorgestellt werden die gängigen Techniken zum Aufheizen von Einlegern sowie die Konstruktion und die Berechnung von Bauteilen per Drapier- und integrativer Simulation. Weiterhin sind Empfehlungen und Hinweise zur Werkzeugauslegung, zum Handling aufgeheizter Einleger, zum Bearbeiten und Fügen von Bauteilen und zum Recycling enthalten.