Der neue MX Formenträger im Technikum des Maschinenbauers eignet sich für alle gängigen RTM-Verfahren. (Bildquelle: Kraus Maffei)

Der neue MX Formenträger im Technikum des Maschinenbauers eignet sich für alle gängigen RTM-Verfahren. (Bildquelle: Kraus Maffei)

Im Statusreport 2017 Faserbundwerkstoffe identifiziert der VDI die technologischen Defizite für Produktionstechnik, Design und Material. Zwar sind die einsetzbaren Werkstoffe seit langem bekannt und werden stetig weiter entwickelt, doch ein vergleichsweise hoher Preis und neue, wenig erprobte Fertigungsverfahren bremsen den Einsatz. Im Statusreport heißt es, „Die neuen Werkstoffe lösten und lösen weiterhin Neugier aus, zugleich aber auch Skepsis. Um diese neuen Werkstoffe erfolgreich einzusetzen, sind einerseits komplexe Anforderungen zu erfüllen, was die mechanische Auslegung von Bauteilen und die Auswahl der Fertigungsverfahren anbelangt. Auf der anderen Seite ist es schwer, die Kosten-Nutzen-Frage schlüssig zu beantworten, da die Funktionalität eines Hybridbauteils immer höher ist als die des substituierten Metallteils.“ Das macht deutlich, dass man in der Branche, zwar um die Vorteile weiß, aber der Aufwand gescheut wird und vor allem höhere Kosten nur schwer akzeptiert werden.

Positive Entwicklung bei Faserverbundwerkstoffen

Aus diesem Grund fordert der VDI bei diesem Thema eine engere Zusammenarbeit innerhalb der Industriem mit Anwendungspotenzial für FVK. Im Statusreport gibt der Verband dazu Hinweise:

  • Alle Überlegungen zum Einsatz von FVK müssen systemübergreifend sein, um neue funktionsintegrierte Bauteile zu konstruieren.
  • Im Lastenheft könnte eine geforderte Werkstoffsteifigkeit durch strukturellen Leichtbau kompensiert werden.
  • Schaffung einer standardisierten Materialcharakterisierung, mit der alle in der Lieferkette zuverlässig arbeiten können.
  • Entwicklung weiterer geeigneter Verbindungstechnologien.
  • Datenvernetzung und Datendurchgängigkeit für eine materialgerechte Qualitätskontrollle.
  • Entwicklung serientauglicher Verfahren für harzbasierte FVK-Matrixsysteme und der damit verbundenen Kostensenkung.
  • Weiterentwicklung von Faser-Halbzeug-Systemen und deren Imprägnierfähigkeit im Prozess zum Senken der Kosten.

Zu dieser Forderung passt die Initiative von 16 deutschen Industrieverbänden, die im Juli dieses Jahres ein gemeinsames Positionspapier unterzeichneten. „Deutschland muss Leitanbieter für den Leichtbau werden“ lautet der Titel des Papiers, das vor dem Hintergrund immer höhere Anforderungen an Ressourcenschutz, Material- und Energieeffizienz branchenübergreifend untersützt wird.

Doch auch wenn viele Deutschland als Vorreiter sehen, ist das Thema von großem internationalen Interesse. Das zeigte die Jec World in Paris in diesem Frühjahr, die einem erheblichen Zuwachs von etwa 10 Prozent auf über 40.000 Besucher verzeichnete. Im September bot Composite Europe einen Überblick über aktuelle Entwicklungen auf dem Composites-Markt und führte eine Markterhebung. Die Ergebnisse geben die gute Stimmung in der Branche wieder. Weltweit kommen die Befragten zu einer positiven Einschätzung der Geschäftslage. Dazu passt, dass fast die Hälfte der Befragten mit einer Zunahme der Personalkapazität und mit Investitionen für Maschinen rechnen. Als Treiber identifiziert die Umfrage neben der Automobil-und Luftfahrtbranche zunehmend auch die Industrie für Bau und Infrastruktur. Langfristig mit Blick auf die Zukunft gibt die Studie jedoch eine eher skeptische Prognose.

Gesamtentwicklung von GFK

Das größte Segment innerhalb der Faserverbundkunststoff- bzw. Composites-Industrie nimmt der Marktbericht der AVK Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe unter die Lupe. Der Bericht weist ein Wachstum des europäischen GFK-Markts im Jahr 2017 von 2 Prozent gegenüber dem Vorjahr auf eine Herstellungsmenge von 1,118 Mio. Tonnen aus. Damit hat sich das Wachstum bei GFK verstetigt. Deutschland ist weiterhin das Land sowohl mit der absolut gesehen größten europäischen GFK-Produktionsmenge als auch mit dem stärksten Wachstum. Die hohe gesamtwirtschaftliche Bedeutung der Abnehmerbranchen ist ein Grund dafür, dass die Herstellung von GFK in der langfristigen Betrachtung tendenziell der Entwicklung des Bruttoinlandsproduktes folgt.

Die GFK[1]-Menge in Europa bleibt weiterhin auf Wachstumskurs, wird aber voraussichtlich hinter der weltweiten Mengenentwicklung zurückbleiben. Der Anstieg des weltweiten Produktionsvolumens liegt bei deutlich über 2 Prozent. Somit geht der Anteil Europas an der Weltproduktion trotz der aufgezeigten positiven Entwicklung weiter zurück.

Wachstum bei kontinuierlichen Verfahren

Die Herstellung von SMC- (Sheet Moulding Compound) und BMC (Bulk Moulding Compound)-Bauteilen ist mit rund einem Viertel der Verarbeitungsmenge das größte Marktsegment in der GFK-Industrie. Die mit Pressverfahren (SMC) bzw. Spritzgießverfahren (BMC) hergestellten Halbzeuge werden zu Bauteilen vor allem für die Elektro- und Elektronikindustrie und den Transport- bzw. insbesondere den Automobilsektor verarbeitet. Das Wachstum von SMC/BMC ist in diesem Jahr mit 2,2 Prozent etwas schwächer als im Vorjahr.

Das Segment der sogenannten Offenen Verfahren – Handlaminieren und Faserspritzen weiterhin das zweitgrößte im GFK-Markt Europa. Wie in den Vorjahren setzt sich die relativ schwache Entwicklung auch in 2017 mit einem Wachstum von unter einem Prozent fort.. Typische Produkte sind zum Beispiel Gehäuse für Windenergieanlagen, Schwimmbecken, Bootsrümpfe oder An- und Aufbauteile für Sonderfahrzeuge sowie der Protoypen- und Formenbau. Auch im Bereich Bau-/Infrastruktur lassen sich entsprechende Bauteile beispielsweise im Fassadenbereich finden.

Das Segment der Bauteile, die mit dem RTM (Resin Transfer Moulding)-Prozess hergestellt werden, wächst wie in den Vorjahren weiter überdurchschnittlich mit 3,5 Prozent auf eine Gesamtmenge von 146.000 t. Heute finden sich am Markt zahlreiche Varianten dieser Produktionstechnologie, die im Fahrzeugbau, für die Produktion von Gehäusen für Windenergieanlagen, sowie im Schiffbaus und in der Freizeitbranche einge setzt wird.

Die Produktion von GFK-Bauteilen mit kontinuierlichen Verfahren ist in 2017 mit 5 Prozent am stärksten gestiegen. Die gesamte Produktionsmenge liegt mittlerweile bei 146.0000 t. Produkte werden seit Jahren vor allem für Fahrzeuge hergestellt, zum Beispiel für Seitenverkleidungen von Lkw, Aufbauten im Caravan-Bereich oder beim Ausbau von Nutzfahrzeugen. Hinzu kommen Anwendungen im Fassadenbereich. Der Markt für pultrudierte GFK-Profile ist mit dem stärksten Wachstum von 6 Prozent in der europäischen GFK-Industrie mittlerweile 53.000 t groß.

Neue Technikhighlights für die Branche

Krauss Maffei, München, hat im Frühjahr sein Technikum für Leichtbauteile und Faserverbundtechnik am Standort München um den neuen Formenträger MX SFT erweitert. Dieser verfügt über eine Schließkraft von 8.000 kN und zeichnet sich durch sehr große Zuhaltekräfte in Verbindung mit schnellen Fahrzeiten aus. Der neue Formenträger eignet sich beispielsweise für die gesamte RTM-Prozessfamilie, wie das Hochdruck-RTM, Compression-RTM, Surface-RTM, thermoplastische RTM-Verfahren oder aber das Wetmolding. Durch flexibel einsetzbare Dosiermaschinen kann der Formenträger mit nahezu allen im Technikum verfügbaren Dosiermaschinen kombiniert werden. Fest installiert sind eine Epoxy-RTM-Maschine in Kombination mit einer Trennmitteleinheit und ein Industrieroboter für den offenen Eintrag. Durch die hohe Führungsgenauigkeit und Biegesteifigkeit aufgrund des Vier-Säulen-Konzepts ist auch der Einsatz serientauglicher Werkzeuge, beispielsweise zur Produktion von Struktur- oder Oberflächenbauteilen in Einzel- oder Mehrfachkavitäten möglich.

Speziell für die Leichtbaufertigung hat Wickert, Landau, die Hochtemperatur-Vakuumpresse Wickert WKP 1600 als Alternative zur aufwändigen Fertigung in Autoklaven entwickelt. Die Hochtemperatur-Vakuumpresse ermöglicht, Produkte mit hohen Ansprüchen an Maßhaltigkeit, Oberflächengüte und Konsistenz bei kürzeren Zykluszeiten zu produzieren. Optional  kann die Pressenbaureihe mit einer aktiven Planparallelitätsregelung ausgestattet werden. Die hohe Heizleistung  garantiert ein sehr schnelles Aufheizen von Raum- auf Prozesstemperatur. In der Regel werden die Heizplatten mit einer 6-Zonen-Regelung ausgestattet. Dies ermöglicht die präzise und einfache Einstellung auf  verschiedene Werkzeugspezifika.

Hennecke und KTM Technologies haben zusammen ein Entwicklungsprojekt durchgeführt, das die drei Elemente Herstellprozess, Leichtbau-Werkstoff und Produktdesign zugleich in den Fokus nahm. Da mit der KTM 1290 Super Duke R ein sportliches Motorrad im Mittelpunkt stand, trug das Projekt den vielsagenden Namen „R.A.C.E.“ (Reaction Application for Composite Evolution). Darin produzierte eine hochautomatisierte Prozesskette mittels HP-RTM-Technologie einen Kennzeichenträger aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff in Hohlstrukturbauweise.

Das Rücksitzsystem eines Geländewagens aus Multiaxial endlosfaserverstärkten Kunststoff ist gegenüber einer Stahlvariante mehr als 40 Prozent leichter. Gleichzeitig erfüllt das sicherheitsrelevante Bauteil alle Lastfälle, weil die Orientierung der Endlosfaserlagen im nur zwei Millimeter dicken Halbzeug gezielt auf die 
mechanische Belastung ausgerichtet ist.  (Bildquelle: Lanxess)

Das Rücksitzsystem eines Geländewagens aus Multiaxial endlosfaserverstärkten Kunststoff ist gegenüber einer Stahlvariante mehr als 40 Prozent leichter. Gleichzeitig erfüllt das sicherheitsrelevante Bauteil alle Lastfälle, weil die Orientierung der Endlosfaserlagen im nur zwei Millimeter dicken Halbzeug gezielt auf die
mechanische Belastung ausgerichtet ist. (Bildquelle: Lanxess)

Lanxess präsentierte in diesem Jahr ein großflächiges Strukturbauteil aus endlosfaserverstärktem, thermoplastischem Verbundwerkstoff in Dünnwandtechnik, das als Modulträgerplatte für Mercedes-Benz S-Klasse Cabrio zum Einsatz kommt. Die rund 0,5 Meter mal 0,5 Meter große und nur nur einen Millimeter dicke Modulträgerplatte sitzt unterhalb des Kofferraums. Sie wurde von dem Mercedes-Benz Cars Development zusammen mit mehreren Partnern entwickelt. Lanxess erstellte unter anderem das Konzept für die mechanische Auslegung des Bauteils und berechnete verschiedene Lastfälle. Der Hersteller der Trägerplatte, die Pöppelmann Kunststofftechnik GmbH & Co. KG, arbeitete die Bauteildetails – wie etwa die Integration der Funktionen – weiter aus, entwickelte den vollautomatischen One Shot-Fertigungsprozess im Hybrid Moulding-Verfahren und validierte das Bauteil. Hersteller des Werkzeugs ist das Unternehmen Georg Kaufmann Formenbau. In dem Verfahren wird ein Einleger aus Tepex dynalite aufgeheizt, plastifiziert, in einem One Shot-Prozess geformt und mit Durethan BKV 30 H2.0, einem kurzglasfaserverstärkten Polyamid 6, umspritzt. Dank des Hybrid Moulding-Verfahrens lassen sich die Vorteile des Spritzgusses für das Composite-Bauteil nutzen, sodass Schraubdome, Clipse, Verstärkungsrippen und Führungen direkt in das Bauteil integriert sind.

Zum Thema Qualitätssicherung bei FVK bietet Pixargus, Würselen, einen neuen Prüfautomat Webcontrol SP an. Dieser kontrolliert µm-genau bei jedem Prüfteil die 2D-Soll-Ist-Kontur und detektiert gleichzeitig kritische Oberflächenstrukturen wie die richtige Faserorierentierung und Oberflächenfehler wie Risse, Kratzer, Löcher, Web- und Maschenfehler – sogar auf dunklem und inhomogenem Material.

Anwendungen und Märkte

Die größten Anwendungssegmente mit jeweils ca. 20 Prozent Marktanteil für Pultrusion-Bauteile sind der Consumer-/Privatbereich und der Baubereich. Typische Einsatzgebiete der GFK-Profile finden sich derzeit zum Beispiel bei der Herstellung von Brückenelementen, als Träger- oder Kabelschachtsysteme, als Geländer, Stufen im Anlagenbau, aber auch in einzelnen Bereichen des Transportbereiches. Nach einer Stagnation der Produktionsmenge im Vorjahr ist das Marktsegment der GFK-Rohre und Tanks, die mit dem Schleuder- oder dem Wickelverfahren hergestellt werden, das einzig rückläufige im europäischen GFK-Markt. Der Markt für Glasmattenverstärkte Thermoplasten (GMT) und Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) wächst auch in 2017 überdurchschnittlich mit 3,6 Prozent. Die Entwicklung der vergangenen Jahre hat dazu geführt, dass der Anteil von GMT/LFT am gesamten GFK-Markt von 5 Prozent im Jahr 2000 auf heute 13 Prozent gestiegen ist.

Trotz der unterschiedlichen Entwicklungen in den Märkten der einzelnen Herstellungsverfahren bleibt der Anteil der großen GFK-Anwendungsindustrien in Europa gegenüber dem Vorjahr erneut konstant. Der europäische Markt für thermoplastische, glasfaserverstärkte Compounds war mit etwa 1.360 Kilotonnen im Jahr 2016 (Quelle: AMAC) etwas größer als der betrachtete GFK-Markt (duroplastische Materialien plus GMT/LFT) im gleichen Zeitraum. Das Wachstum war in 2016 mit 5 Prozent etwas niedriger als im Jahr 2015, ist aber höher als die GFK-Marktentwicklung.

FVK für mehr als nur Leichtbau

Vielfach eingestuft als zukünftiger Leichtbau-Werkstoff vorrangig für die Automobil- und Luftfahrtindustrie, werden derzeit – und teilweise schon seit Jahrzehnten – existierende Anwendungsfelder von Composites in existierenden Märkten oftmals übersehen. Hierzu zählen auch bereits zahlreiche Anwendungen im (automobilen) Großserieneinsatz. Leichtbau ist darüber hinaus nicht der einzige Vorteil von Composites gegenüber anderen Konstruktionsmaterialien. Doch die Materialien sind leider nach wie vor vielen Entscheidern zu wenig bekannt. Diese Situation zu verbessern, ist eine der vordringlichsten Aufgaben der gesamten Industrie, so die Forderung des AVK.

[1] Als GFK werden alle Glasfaserverstärkten Kunststoffe mit einer duroplastischen Matrix und im Thermoplast-Markt die Glasmattenverstärkten Thermoplaste (GMT) und die Langfaserverstärkten Thermoplaste (LFT) beschrieben. Die europäische Herstellungsmenge für Kurzfaserverstärkte Thermoplaste liegt nur als Gesamtmenge vor und wird separat ausgewiesen.

 

 

 

Dr. Etwina Gandert

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert

ist Redakteurin Plastverarbeiter.

etwina.gandert@huethig.de