Der neue XC90 hat ein komplett neues Chassis, inklusive eines neuen integrierten Hinterachs-Lenkers. Die Hinterachse verfügt über eine neue Querfeder aus leichtem Verbundwerkstoff. Bildquelle: Henkel

Der neue XC90 hat ein komplett neues Chassis, inklusive eines neuen integrierten Hinterachs-Lenkers. Die Hinterachse verfügt über eine neue Querfeder aus leichtem Verbundwerkstoff. Bildquelle: Henkel

„Es ist sehr wichtig und nicht trivial, dass der Preform sehr gut in die Kavität passt“, erklärt Pascal Albrecht beim Rundgang und der Maschinenpräsentation im Composite Lab in Heidelberg. Der Ingenieur leitet das Technikzentrum von Henkel in Heideberg und man spürt seine Begeisterung für die Technik. Wegen der hohen Anforderungen werden die Fasergelege von einem automatisierten Schneidetisch zugeschnitten, der mit hoher Wiederholgenauigkeit arbeitet, wie der Experte betont.

Das Technikzentrum in Heidelberg ist außerdem mit einer Presse sowie mit dem Herzstück, einer Hochdruck-RTM-Anlage von Krauss Maffei, ausgestattet. Der Formenträger der RTM-Anlage ist etwa 1,3 x 1,3 m groß. Die Anlage selber ist etwa 4 m hoch. Das Technikum ist nun seit etwa einem Jahr im Betrieb und gut ausgelastet. „Wir machen fast täglich Versuche, auch für eigene Neuentwicklungen. Das geht dort wesentlich effektiver als im Labor, weil im Labor keine Hochdruck-RTM-Anlage und keine Presse zur Verfügung stehen“, erläutert Frank Kerstan, als Global Program Manager Automotive Composites, Henkel, Düsseldorf.

Entwicklung kostengünstiger Composite-Bauteile im Composite Lab

Henkel, als Spezialist für Klebstoffe und Harze, hat das Heidelberger Composite Lab im Jahr 2016 eröffnet. Triebfedeomr für die Installation war und ist die Entwicklung kostengünstiger Composite-Bauteile. Die Verarbeitung stellt Automobilhersteller und andere Composite-Anwender vor große Herausforderungen. Dazu erklärt Frank Kerstan: „Im Vergleich zu einem Metallbauteil ist das Composite-Bauteil wesentlich teurer. Das liegt an dem Faser-Material zum einen und zum anderen an dem wesentlich komplexeren Herstellungsprozess. Und unsere Herausforderung ist es, mit den Harzen oder auch mit den Klebstoffen zum Fügen von Multisubstratbauteilen, den Prozess zu beschleunigen, ihn sicher zu machen und damit wenig Ausschuss zu erzeugen. Wichtigstes Ziel ist es, dadurch die Kostenstruktur zu optimieren.“

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Gerade in der Automobilindustrie sei eine schnelle Aushärtung, um die geforderten Zykluszeiten zu erreichen, besonders wichtig. Dafür sind einerseits die Chemie des Harzes und andererseits auch eine schnelle Injektion in die Form verantwortlich. „Zudem muss die Mechanik stimmen – auch darauf hat das Harz einen wesentlichen Einfluss. Die Bauteilsicherheit, die mechanischen Kennwerte und die mechanische Performance von einem Harzsystem müssen passen. Großserientauglich, die schnelle Aushärtung, und eine gute Performance in der Mechanik sind die größten Aufgaben in der Composite-Verarbeitung“, so Kerstan.

Die Autoindustrie ist der mit Abstand größte Markt für Composite-Bauteile. Sie erfüllen alle Anforderungen bezüglich Design, Belastbarkeit und Gewichtsreduktion - wie etwa im Volvo XC90.  Bildquelle: Volvo

Die Autoindustrie ist der mit Abstand größte Markt für Composite-Bauteile. Sie erfüllen alle Anforderungen bezüglich Design, Belastbarkeit und Gewichtsreduktion – wie etwa im Volvo XC90. Bildquelle: Volvo

Der größte Markt für Composite-Bauteile besteht in der Automobilindustrie. Etwa 90 Prozent der Anfragen entstehen aus Entwicklungen für Automotive-Bauteile, berichtet Kerstan für sein Unternehmen. Die Nachfrage steigt vor allem nach seriennahen Verarbeitungsverfahren. „Es ist meistens so, dass unsere Kunden in einer sehr frühen Phase einer Entwicklung an uns heran treten, oder es geht um ein Serienentwicklungsprojekt“, beschreibt er die Leistung des Composite Labs.

Der Auftraggeber muss für die Nutzung etwa 2.500 EUR am Tag zahlen. „Normalerweise werden zunächst Plattentests durchgeführt, um die Materialeigenschaften zu verstehen, oder um einen Vergleich zu haben mit einer genormten Platte von verschiedenen Fasern beziehungsweise von verschiedenen Harztypen.“ Es können aber auch andere, kundeneigene Werkzeuge unter die Presse gespannt werden. Allerdings testet Henkel im Composite Lab nur mit eigenen Produkten, um sicher zu stellen, dass die eingesetzten Harze mit der RTM-Anlage kompatibel sind.

In der Entwicklung neuer Bauteile steht die Materialauswahl am Anfang, gefolgt von Tests zur Mechanik, Alterung und Ermüdung sowie Stabilität. Im dritten Schritt werden Fragen zum Design wie zur Crash-Simulation eruiert bis in der letzten Etappe Prototypen erstellt und Prozessparameter festgelegt werden. Henkel begleitete Volvo in einer solchen Entwicklung beispielsweise für eine hochfeste Blattfeder in den Fahrwerken des Volvo XC90, des S90 und des V90. Von der Blattfeder produziert der Hersteller inzwischen etwa 357.000 Teile pro Jahr mit einer Zykluszeit von 30 s im RTM-Verfahren mit einem trockenen Fasergelege. Die Blattfeder ist das Kernstück des Leichtbau-Hinterachs-Konzepts von Volvo.

Frank Kerstan ergänzt: „Für die dynamisch belasteten Bauteile braucht es eine gewisse Elastizität, die das PU-Harz mitbringt.“ Ein anderer großer Vorteil für den Einsatz im Bereich Karosserie, wo Crash-Sicherheit eine Rolle spielt, ist, dass das PU-Harz ein sogenanntes sekundäres Netzwerk auf der Ebene der Chemie hat. „Dadurch bietet es eine sehr, sehr hohe Zähigkeit, auf englisch Toughness und gemessen in dem speziellen Kennwert K1c“, erklärt der Experte. Diese Toughness spiele eine wesentliche Rolle für die Lebensdauer und Ermüdungstoleranz. Das PU-Harz wird mit Endlos-Glasfasern verstärkt. Aufgrund seiner niedrigen Viskosität fließt das Harz sehr schnell in die Form und durchdringt das Fasermaterial leicht und schonend.

Potenziale zum Gewicht sparen nutzen

Frank Kerstan ist Global Program Manager Automotive Composites bei Henkel, Düsseldorf.(Bildquelle: Redaktion Plastverarbeiter, Dr. Etwina Gandert)

Frank Kerstan ist Global Program Manager Automotive Composites bei Henkel, Düsseldorf.(Bildquelle: Redaktion Plastverarbeiter, Dr. Etwina Gandert)

Henkel bietet eine Reihe von Polyurethan-Harzen (PU-Harz) an, die weniger spröde sind als Epoxid-Harze. Zu den PUR-Harzen hat Henkel auch das Epoxy-Harz Loctite Max 5 im Programm. Es ist sogar bis zu 250 °C stabil, hat eine Toughness K1C von 1,2 und lässt sich im HP-RTM-Verfahren verarbeiten. Damit ließen sich beispielsweise Felgen fertigen und es könnte als Composite-Werkstoff Aluminium in der Felge ersetzen. „Damit ließen sich etwa 30 Prozent Gewicht einsparen“, erklärt Kerstan, „ und es ist zudem noch rotierende Masse. Sie ist ungefedert, weil sie unterhalb der Fahrwerkaufhängung positioniert ist. Aus diesem Grund ist das Rad ein sehr attraktives Bauteil für den Leichtbau.“ Allerdings ist die Carbonfaser sehr hochpreisig, wie viele Carbonanwendungen am Anfang der Entwicklung. „Aber auch da kann ich mir vorstellen, dass für das Rad als skalierbare Komponente eine attraktive Composite-Lösung gefunden werden kann – beispielsweise als Hybridrad, in dem nur die Felge ohne die Speichen aus Composite sind und die Speichen aus Aluminium bestehen. Neben Federsystem, Rädern und in der Karosserie wird auch mehr und mehr im Innenraum mit Compositen gearbeitet, so zum Beispiel in der Rückwand im Audi 8 oder in der Mercedes S-Klasse AMG.“

Sowohl die PU- wie auch das Epoxy-Harz lassen sich mit Glas- oder Kohlefasern kombinieren. Zum Portfolio des Konzerns gehören auch entsprechende Binder für die Composite-Preforms. Loctite FRP 2000 ist sowohl mit PU-, als auch mit Epoxy-Matrixharzen verträglich und kann aufgrund seiner hohen Festigkeit sehr sparsam eingesetzt werden. Es eignet sich gut für komplex geformte Bauteile.

Composite im Sport und Flugzeugbau

Neben Anwendungen im Automobil werden die Kunststoff-Verbundwerkstoffe auch für Sportgeräte, wie Fahrradfelgen oder Hockeyschläger, sowie in der Flugzeugindustrie eingesetzt. Allerdings werde im Flugzeugbau kein RTM-Verfahren angewendet. „Die Bauteile sind groß, Zykluszeit spielt eher keine Rolle, oder nur eine Nebenrolle“, so Kerstan. „Aber auch da steigt der Druck, schneller oder zumindest kostengünstiger zu produzieren. Ich kann mir auch vorstellen, dass Bauteile im Interieur, wie beispielsweise Sitzkomponenten, die auch skalierbar sind und mehrmals gleichzeitig in ein Flugzeug kommen, für eine Großserie tauglich sind.“

Im Flugzeugbau kommen bei den Rohstoff-Rezepturen auch Fragen zum Flammschutz hinzu. Geeignete Flammschutzmittel zu finden, ist ein Aspekt der Rezeptur-Entwicklung. Bislang seien Flammschutzmittel im Automotive-Bereich weniger gefragt. Hier spielten eher Beschleuniger oder Katalysatoren für eine schnelle Aushärtung und eine kurze Zykluszeit eine Rolle. Doch mit Blick auf die Entwicklung elektrischer Antriebe und Batterien werde das Thema Flammschutz sicher an Bedeutung gewinnen für die Entwicklung von Composite-Bauteilen, meint Kerstan.

Prozess- und Material-Kompetenz gebündelt

Neben der Entwicklung der Harz-Formulierung spielt auch die Verbindungs- und Klebetechnik für leichtere Bauteile aus Kunststoff im Automobil eine größere Rolle. Häufig müssen verschiedene Werkstoffe miteinander verbunden werden. Dabei liegt die Herausforderung darin, die verschiedenen Ausdehnungen der Werkstoffe ausgleichen zu können, ohne Stabilität einzubüßen. Eine sichere Multi-Material-Verbindung und ein ausreichendes Verarbeitungsfenster sind wesentliche Aspekte bei der Auswahl des Adhesives.

Die Prozess- und Materialkompetenz für neue Leichtbau-Lösungen bietet Henkel nun nicht mehr nur in Heidelberg an. Das Unternehmen hat kürzlich in Japan ein weiteres Technikzentrum eröffnet. In Isogo-ku, Yokohama, gehört eine HP-RTM Anlage von Krauss Maffei und eine Presse mit einer Schließkraft von 380 t zur Ausstattung. In Japan hat das Unternehmen bereits seit vielen Jahren eine Produktionsstätte und arbeitet eng mit der Automobilindustrie beim Thema Leichtbau zusammen.

Dr. Etwina Gandert

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert

ist Redakteurin Plastverarbeiter.

etwina.gandert@huethig.de