Trendscout FVKs: Material, Verarbeitung, Prüfung

Die Außenhaut des Light Coocon besteht aus einem dreilagigen Polyester-Jersey-Stoff, der leicht, belastbar und wasserdicht ist. (Bildquelle: Edag)

Die eingereichten Patente mit Bezug zum Leichtbau steigen laut dem baden-württembergischen Industrieverband Leichtbau BW, Stuttgart, seit 1990 stetig. Da die Patente mit einer Verzögerung von fünf bis zehn Jahren in Form neuer Produkte oder Verfahren auf den Markt kommen, geht der Verband von einem deutlichen Anstieg an Leichtbauanwendungen in den nächsten Jahren aus. Eine Schlüsselstellung nimmt hier die Automobilindustrie ein. Leichtbau BW bezeichnet diesen Sektor daher als einen klaren „Treiber der Innovation im Leichtbau“. Diese Einschätzung basiert auf dem erwarteten Marktvolumen von rund 65 Mrd. EUR im Jahr 2020 (Im Jahr 2011, die aktuellste gesicherte Zahl, waren es etwa 50 Mrd. EUR.), die die Studie „Leichtbau – Trends und Zukunftsmärkte“ aus dem Jahr 2015 ermittelt hat.

Von diesem Wachstum profitieren im Automobilsektor neben den Anbietern von reinen Kunststoffprodukten (Marktvolumen im Jahr 2010: 21 Mrd. EUR, im Jahr 2020 rund 40 Mrd. EUR) vor allem die Hersteller von CFK-Teilen. Deren Marktwachstum schätzt die Studie auf 30 Prozent pro Jahr bis 2020. Allerdings geht dies von einem sehr geringen Niveau aus: rund 15 Mio. EUR im Jahr 2014. Umgekehrt sieht es bei den anderen Faserverbund-Kunststoffen aus. Sie verfügen zwar über ein Marktvolumen von rund 5 Mrd. EUR. Dafür rechnet die Studie aber bis 2020 mit keinem nennenswerten Wachstum für diese Werkstoffe im Automobilbereich.

Umsatzwachstum mit Faserverbundkunststoffen um 40 Prozent pro Jahr

Für die restliche Transportbranche kommen ein Marktvolumen von 70 Mrd. EUR zusammen. Auf den Kunststoff entfallen dabei rund 40 Mrd. EUR, auf Faserverstärkte Kunststoffe rund 5 Mrd. EUR. In der allgemeinen Transportbranche (außer Automobil) nehmen die Leichtbau-Patentanmeldungen überdies besonders stark zu: 0,15 Prozent Zuwachs pro Jahr. Bei der Automobilindustrie nehmen die Patentanmeldungen dagegen mit 0,03 Prozent deutlich langsamer zu. Analog zu diesen Zahlen wächst der allgemeine Transportmarkt in Sachen Leichtbau bis 2020 pro Jahr um ca. 7 Prozent. Der Nutzfahrzeugmarkt, bestehend aus Bussen und Lkws als Beispiel für den restlichen Transportsektor, legt bis zum Jahr 2020 jedes Jahr um geschätzt 22 beziehungsweise 14 Prozent zu.

Durch Faserverbundwerkstoffe kann das Gewicht verschiedener Autoteile, beispielsweise Dach, Türen, Front- oder Heckklappe, bis zu 50 Prozent reduziert werden. (Bildquelle: Evonik)

Von diesem Wachstum profitieren laut der Studie vor allem die restlichen Faserbundkunststoffe (CFK spielt hier keine Rolle). Insbesondere die Bushersteller tragen hierzu wesentlich bei: Das jährliche Marktwachstum könnte durchaus bei über 40 Prozent liegen. Bei einem Marktvolumen von etwa 8 Milliarden Euro (Stand 2014) ein durchaus beachtlicher Wert. Bei der Luft- und Raumfahrt prognostiziert die Studie ein Plus von gut 15 Prozent pro Jahr, bei einem Marktvolumen von 500 Mio EUR.

Diese Trends zeichnen sich auch in der Kunststoffbranche ab, bei dem sich viele Anwendungen auf die Transportbranche konzentrieren. Zugleich wächst das Angebot an Faserverbundwerkstoffen nicht nur für diesen Industriezweig immer schneller, ebenso geht es mit den Maschinen und Anlagen, die solche Produkte herstellen. Neben diesen augenscheinlichen Entwicklungen blühen aber auch alle anderen am Fertigungsprozess beteiligten Bereiche auf: Dazu gehören Tools zur Werkstoffauswahl oder deren Simulation, aber auch Werkstoffprüfgeräte und Nachbearbeitungs-Verfahren.

 Auswirkungen von Materialentscheidungen auf Produktkosten berechnen

Gerade wenn es um ein Projekt geht, für das auch faserverstärkte Kunststoffe infrage kämen, interessieren möglichst präzise Daten. Diese liefert beispielsweise der CES Selector 2016 von Granta Design, Cambridge, Großbritannien. Damit lassen sich die Auswirkungen von Material- und Prozessentscheidungen auf die Produktkosten berücksichtigen – und zwar bereits im frühen Stadium der Konzeptphase. Während der weiteren Entwicklungsarbeit kann sich der Anwender dann auf die kosteneffektivsten Werkstoff- und Prozessoptionen konzentrieren. Zusätzliche Werkstoffdatensätze und Diagramme helfen bei Analysen und Präsentationen. Dabei berücksichtigt das Software-Tool Werkstoffe und Formgebungsprozesse, Bauteilgröße und -komplexität, Standard- und kundenspezifische Formen, Losgröße und Möglichkeiten der Abfallwiederverwertung. Es enthält Kennwertdaten von 4.000 Werkstofftypen. Eine weitere Funktion berücksichtigt die Auswirkungen der Form auf die Werkstoffauswahl. Dies ermöglicht es unter anderem zu verstehen, wie sich die Verwendung eines I-Träger- oder Rechteck-Querschnittes auf die Materialauswahl auswirken kann.

Ist die grundsätzliche Entscheidung für Faserverbund-Kunststoffe gefallen, kommen die Werkstoffhersteller zum Zug. Zahlreiche Unternehmen bauen ihr Angebot nach und nach aus. Coperion, Stuttgart, beispielsweise bietet mit Protec Polymer Processing, Bensheim, Fertigungsanlagen für langfaserverstärkte Thermoplaste an. Diese entstehen mittels des Pultrusionsverfahren, wobei sich wahlweise Glas-, Kohlestoff-, Metall- oder Naturfasern in die Polymermatrix einarbeiten lassen.

Auf Carbonfaser-Verstärkung haben sich Geba, Ennigerloh, und Covestro, Leverkusen, mit dem Polyurethan Desmovit DP R CF festgelegt. Es eignet sich unter anderem für Protektoren, Anwendungen im Sportartikelbereich, Schutzhüllen für Tablets und Smartphones sowie für den Einsatz in langlebigen Gehäusen von Werkzeug, Uhren oder Ferngläsern. Das Material ist ab einem gewissen Verstärkungsgrad auch antistatisch und somit für industrielle Rollen und Zahnräder verwendbar.

Fertige glasfaserverstärkte Formmasse auf Polyphthalamid-Basis

Mit Vestamid HT plus M1035 P1 bietet Evonik, Essen, eine fertige glasfaserverstärkte Formmasse auf Polyphthalamid-Basis an. Der für Automobilanwendungen entwickelte Werkstoff bietet ein gutes Fließverhalten, wodurch er sich materialschonend verarbeiten lässt. Zudem weisen die Spritzgussteile eine hohe Oberflächenqualität auf. Die hochtemperaturstabilen teilkristallinen und chemikalienbeständigen Kunststoffe der Produktfamilie eignen sich, um Metall in seinen klassischen Anwendungen zu ersetzen.

Einen ähnlichen Markt bedient Asahi Kasei (Vertriebspartner Nordmann, Rassmann, Hamburg) mit seinen vier POM-Tenac-Copolymeren. Die Typen G457S und G457X bestehen zu 35 Prozent aus Glasfasern. Das führt zu einer höheren Festigkeit, Steifigkeit und Kriechbeständigkeit. Damit lassen sich Anwendungen umsetzen, die bisher hochgefülltem PA 6 vorbehalten waren. Die Typen G455S und G455X enthalten jeweils 25 Prozent Glasfaser (GF) und bieten laut Hersteller gegenüber Standardtypen mit vergleichbarem GF-Gehalt eine höhere Adhäsion der Glasfaser an die Polymermatrix. Daraus profitieren vor allem die Werte für Kriechbeständigkeit und Biegewechselfestigkeit.

Die Hinterachse hat eine Querblattfeder aus gewichtsparendem Verbundwerkstoff. (Bildquelle: Henkel)

Für den Einsatz in Strukturbauteilen in Kraftfahrzeugen eignet sich das Zweikomponenten-Matrixharzsystem auf Polyurethan-Basis Loctite Max 2 von Henkel, München. Aus diesem besteht beispielsweise die glasfaserverstärkte Blattfeder des Volvo XC90, die das Unternehmen Benteler-SGL entwickelte. Das Material ist elastisch und zäh, was ein schnelleres Fertigen von ermüdungsbeständigen Composites ermöglicht. Das Polyurethansystem hat eine niedrige Anfangsviskosität, was kurze Injektionszeiten und eine gute Durchdringung des dichtgepackten Glasfasermaterials bewirkt. Nach der Injektion in das Werkzeug härtet es schnell aus – laut Hersteller weit schneller als gängige Epoxidharze – und führt zu Entformungszeiten von unter einer Minute pro Teil.

Naturfaseranteil verleiht ein besonderes Aussehen

Naturfaserverstärktes ABS für besondere Ansprüche. (Bildquelle: Elix)

Auf Basis von Naturfasern bietet das spanische Unternehmen Elix Polymers, Tarragona, ein verstärkes ABS an. Das Elix-ECO-ABS-NF-Thermoplast eignet sich für Spritzgießverfahren sowie spezielle Extrusionsverfahren und verleiht den fertigen Spritzgießteilen durch seinen Naturfaseranteil ein besonderes Aussehen. Die Zielbranchen sind daher die Automobil- sowie Möbelbranche. Das Material lässt sich ohne Maschinenumrüstung verarbeiten und eignet sich auch für den 3D-Druck. Zu den Vorteilen zählen eine hohe Steifigkeit, Hitzebeständigkeit, geringe Schrumpfungsraten, niedrige Emissionen und ein geringeres Gewicht als glasfaserverstärktes ABS. Der naturfaserverstärkte Kunststoff hat zum Beispiel eine Dichte von 1,12 g·cm⁻³ im Vergleich zu 1,15 g·cm⁻³ bei ABS-GF.

Wabenplatte mit WPC-Anteil (Bildquelle: Pinuform)

Einen weiteren Schritt in Richtung Natur geht Pinuform, Ulm, mit seinen Wood Plastic Composites (WPC). In der eigenen Holzmühle bereitet es dafür Hobelspäne zu Holzmehl auf, das die Basis der aktuellen WPC-Rezepturen bildet. Daraus stellt es Granulate her, die sich für alle gängigen Weiterverarbeitungstechnologien eignen. Auf der Fakuma 2015 zeigte der Hersteller zudem eine in Zusammenarbeit mit Econcore entstandene Honigwabenplatte, die komplett aus WPC besteht. Pinuform stellt dafür die Deckschicht für den Kern sowie erstmalig die Folie der Honigwabe aus WPC her.

Werkzeugbewegungen außerhalb des Materials verbessern

Auf der Airtec in München im letzten November präsentierte Spring Technologies, Paris, Frankreich, mit NCSIMUL Machine eine CNC-Simulations-Software, die sich zusammen mit der Erweiterung NCSIMUL-Composites für das Simulieren von Verbundwerkstoffen eignet. Im Fokus steht auch das Modul Optitool, um Werkzeugbewegungen außerhalb des Materials zu verbessern. Denn mit dem richtigen An- und Abfahrverhalten lassen sich zeit- und kostenintensive Luftschnitte vermeiden.

Bei den Temperierkammern verringerte der Hersteller die Einflüsse wie Schwingungen und Schlierenbildung durch Konvektion.(Bildquelle: Zwick)

Um Composites – und unverstärkte Kunststoffe – zu prüfen, hat Zwick, Ulm, Temperierkammern im Portfolio, die optisch und berührend messen, ohne durch Einflüsse wie Schwingungen und Schlierenbildung das Ergebnis verfälschen. Zudem sind die Temperierkammern auf die Längenmessgeräte des Herstellers abgestimmt. Das optionale LED-Beleuchtungsmodul ermöglicht das optische Messen auch bei Änderungen der Breite. Das Gerät erfüllt zudem die Anforderungen der ISO 527 und ASTM D638. Um die Prüfergebnisse bei empfindlichen Probekörpern, wie Folien, nicht zu beeinflussen, lässt sich die Lüfterdrehzahl im Prüfablauf über die Software Testxpert II anpassen. Außerdem lassen sich alle Daten mit der Prüfserie dokumentieren. Weitere Funktionen lassen sich nachrüsten: Hierzu gehören das Vortemperieren der Proben in einem Magazin oder das schnelle Wechseln der Proben durch eine kleine Eingriffsöffnung in der Tür ohne signifikanten Temperaturverlust. Dabei lassen sich die Probenkörper mit einer speziellen Zange präzise ausrichten und schnell einlegen.

FVK-Bauteile automatisiert herstellen

Mit der Maschine werden carbonfaserverstärkte Karosserie-Bauteile produziert. (Bildquelle: Fritzmeier/Krauss Maffei)

Für kurze Zykluszeiten beim Fertigen von carbonfaserverstärkten Karosserie-Bauteilen investierte das Unternehmen Fritzmeier Composite in eine HD-RTM-Maschine von Krauss Maffei, München. Genauer gesagt, in eine maßgeschneiderte HD-Rimstar Compact mit einer Vier-Strang-Maschine mit vier Mischköpfen des Typs MK 10 2K-RTM. Diese kann zwei Pressen bedienen, die den Bauteilen ihre finale Form geben. Zwei Umschalteinheiten ermöglichen es, mit einer Vier-Komponenten-Maschine zwei Pressen mit Doppelkavitäten zu betreiben. Das spart eine zusätzliche Dosieranlage. Das eingesetzte Matrixmaterial, ein hochreaktives und aggressives Epoxysystem, erforderte außerdem besondere Axialkolbenpumpen, die das Material zu den Misch- und Dosieranlagen fördern. Diese legte Krauss Maffei genau auf diese Anwendung aus. Die eigene Pumpenfertigung ermöglichte diese Vorgehensweise.

Hockeyschläger hergestellt mit der Flechttechnologie (Bildquelle: Munich Composites)

Ein völlig anderes Verarbeitungsverfahren für carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) wendet Munich Composites, Ottobrunn, an: das Flechten. Damit schaffte es das Unternehmen, die Feldhockeyschläger-Produktion eines Herstellers zurück nach Deutschland zu holen. Der Vorteil des Herstellungsprozesses ist, dass sich die Bauteile weitestgehend automatisiert herstellen lassen. Roboter ziehen dabei einen Kern durch eine Flechtmaschine. Die anschließende Injektion der Carbonfasern mit Epoxydharz zu einem Composite-Bauteil erfolgt ebenso vollautomatisch. Ein weiterer Kostenvorteil ist, dass dabei fast kein Verschnitt entsteht. Während bei anderen Technologien bis zu 40 Prozent der Fasern entsorgt werden müssen, kommt man hier mit nur 5 Prozent aus. Damit eignet sich die Technologie für Klein-, Mittel- und Großserien.

Hochgefüllte Bauteile entgraten

Das Skateboard wurde mit recycelten Kohlefasern hergestellt. (Bildquelle: Cannon)

Das Unternehmen Mewo, Olpe, hat seine kryogenen Entratungsmaschinen weiterentwickelt, um technische Funktionsteile zu entgraten, die beispielsweise aus hochgefüllten, glasfaserverstärkten Kunststoffen wie PPS GF 40 oder PPS LGF 50 bestehen. Beim kryogenen Entgraten kommen die Formteile mit flüssigem Stickstoff in Verbindung mit Kunststoffgranulat in Kontakt. Abhängig von Material und Geometrie lassen sich dazu die Einstellparameter exakt festlegen und dokumentieren. Dieses Verfahren nimmt keinerlei Einfluss auf die Farbe, Oberflächen- oder Materialeigenschaften. Auch galvanisch endbehandelte Oberflächen lassen sich auf diese Weise bearbeiten. Das Verfahren eignet sich besonders für komplexe, filigrane Geometrien, auch mit Hinterschneidungen. Artikelspezifische Wechselaufnahmen sorgen dafür, dass die Bauteile während einem einzigen Entgratungszyklus definiert innen und außen final entgratet werden.

Ein zweites Leben, das schenkt Cannon, Hanau, Carbonfaser-Abfällen mit der Hochdruck-RTM-Anlage Estrim, das Kohle- oder Glasfaser-verstärkte Bauteile vor allem für die Automobil-, Sport-, und Freizeitindustrie herstellt. Zudem entwickelte das Unternehmen mit Cresim ein Herstellverfahren für CFK-Teile aus recycelten Kohlenstofffasern. Das von Life und EU geförderte Projekt befasst sich ausschließlich mit der Verwertung von Abfällen. Durch den neuen Herstellungsprozess lassen sich bis zu 100 Prozent der Carbonfaser-Abfälle aus unterschiedlichen Branchen wiederverwenden.