Mit dem Jahr 2020 verschärfen sich die Reglements für die CO2-Emissionen der Flotten europäischer Fahrzeughersteller drastisch, berichtete Dr. Andreas Wollny vom Marketing Lightweight Composites bei BASF Engineering Plastics Europe auf der Pressekonferenz des Unternehmens Ende Juni zur Kunststoffmesse K 2013, die im Oktober in Düsseldorf stattfindet. Thermoplastische Werkstoffe, kurz- ebenso wie langfaserverstärkt, haben einen sehr großen Anteil am modernen Leichtbau, weil mit ihrer Hilfe zahllose, ehemals metallische Bauteile im Großserienmaßstab durch ebenso leistungsfähige Kunststoffbauteile ersetzt werden konnten.
Inzwischen sind mit diesen Werkstoffen erste grundsätzliche Grenzen erreicht. Der nächste große Schritt bei der Metallsubstitution im Fahrzeugbau wird nur mit einem Technologiesprung gelingen: Mit Endlosfaserverstärkung von spritzgegossenen Strukturen, also mit thermoplastischen Verbundwerkstoffen (Composites). Wenn sich thermoplastische und duroplastische Composites in Strukturbauteilen durchsetzen, werden sie langfristig ein Marktvolumen von etwa 2 Mrd. Euro umfassen.
Neues Sortiment aus Laminat- und Tape-Halbzeugen
Aus diesem Grund erweitert die BASF nun ihre Aktivitäten bei den technischen Kunststoffen um einen vollkommen neuartigen Ansatz: Er heißt Ultracom und umfasst ein Paket aus drei Komponenten: endlosfaserverstärkte Halbzeuge, angepasste Spritzgießmassen und die notwendige Unterstützung beim Engineering. Die zentrale Neuheit sind dabei die Halbzeuge, also Laminate aus Fasergeweben beziehungsweise Fasergelegen und unidirektionale Tapes, die mit Polyamid- oder PBT-Kunststoffen des Chemieunternehmens (Ultramid oder Ultradur) imprägniert sind. Diese thermoplastischen Verbundwerkstoffe werden derzeit zusammen mit dem Faserverbundhersteller Tencate (ein Kooperationspartner der BASF) und dem Glasfaseranbieter Owens Corning im Rahmen einer Forschungs-Kooperation weiter entwickelt.
Der zweite Teil des Ultracom-Pakets umfasst die individuell auf diese Laminate abgestimmten Umspritz-Materialien, ebenfalls aus dem Ultramid- und Ultradur-Sortiment, diesmal in Form von Compounds. Mit ihrer Hilfe lassen sich im Spritzguss zusammen mit den Laminaten und Tapes komplexe Bauteile fertigen, die an genau definierten Stellen über eine sehr hohe mechanische Verstärkung durch Endlosfasern verfügen, und durch das Umspritzen gleichzeitig spezifisch funktionalisiert werden können.
Die kommerziellen Ultracom-Pakete
Zur K 2013 wird das Chemieunternehmen ersten kommerziellen Ultracom-Produktpakete anbieten: Für Kundenprojekte im Bereich hochsteifer Bauteile besteht das Paket aus einem auf Polyamid 6 basierenden Ultralaminate (oder Ultratape für hoch ausgerichtete Verstärkungsstrukturen) sowie einem Ultramid G12 COM mit 60 % Glasfaserverstärkung als Umspritzmasse. Bei besonderen Anforderungen an die Schlagzähigkeit des Bauteils wird die BASF zusammen mit dem Kunden ein auf hohe Energieabsorption optimiertes Paket einsetzen. Es besteht ganz analog aus Ultralaminate und einem Ultramid ZG7 COM. Auch hier existiert eine entsprechende Tape-Variante für lokale Verstärkungen, beispielsweise in Sitzstrukturen, die mit demselben Ultramid COM ZG7 umspritzt werden kann. Zunächst wird für die Laminate die bei den technischen Textilien bekannte orthotrope Köper-2/2-Struktur sowie Polyamid 6 zum Einsatz kommen. Auf der Kunststoffmesse werden die ersten mittels Ultracom umgesetzten seriennahen Bauteile zu sehen sein.
Mit im Angebot: Simulation, Prozess-Betreuung und Prüflabor
Die dritte Komponente von Ultracom ist von großer Bedeutung für den Entwickler von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen: Sie umfasst ein umfangreiches Service-Angebot der Anwendungsentwicklung des Chemieunternehmens. Dazu gehört nicht nur die Unterstützung bei der Auslegung am Computer mithilfe des universellen Simulationsinstruments Ultrasim der BASF, sondern ebenso die Betreuung bei der Werkstoffverarbeitung und Bauteilherstellung. Zu diesem Zweck hat das Chemieunternehmen ihren Maschinenpark um eine serienfertigungsnahe Spritzgieß-Pilotanlage mit automatisierter Laminat-Zuführung erweitert. Und schließlich stehen die zahlreichen Möglichkeiten des Bauteil-Prüflabors des Unternehmens zur Verfügung.
Unterstützung beim Engineering inbegriffen
Die dritte Säule des Ultracom-Pakets, das Engineering ist nicht, wie in bisherigen Leichtbauprojekten, nur eine Option, die sich bei Bedarf nutzen lässt: Sie ist essentieller Bestandteil für alle Kundenprojekte. Ohne die Möglichkeit, die Verbundwerkstoffe und die daraus gefertigten Bauteile vor ihrer Herstellung zu optimieren und sie ebenso gut wie klassische kurz- und langfaserverstärkte Thermoplaste numerisch per integrativer Simulation zu beschreiben sowie am Computer auslegen zu können, wird der Markteintritt auf breiter Basis nur schwer gelingen. Das Berechnungswerkzeug Ultrasim hat in den vergangenen Jahren die Bauteilauslegung und damit die Entwicklung vieler neuartiger Bauteile – Getriebequerträger, Motorlager, Motorträger, metallfreie Frontends – erst möglich gemacht. Nur mit der Erweiterung der integrativen Simulation durch neue Materialmodelle und den zugrunde liegenden experimentellen Erkenntnissen wird das thermoplastische Verbundbauteil auf Basis Laminat oder Tape für die Großserie zugänglich sein. Erste Ultramid-Serienanwendung war 2012 die Sitzschale des Opel Astra OPC auf Basis von – damals noch extern produzierten – umspritzten thermoplastischen Laminaten. Hier konnten die erweiterten Leistungen von Ultrasim bereits genutzt werden. Sie stehen allen Kunden im Rahmen von gemeinsamen Entwicklungsprojekten zur Verfügung.
Passt wie angespritzt
Voraussetzung und Herausforderung auf der Materialseite ist dabei, dass Faser und Kunststoff einerseits und Tape beziehungsweise Laminat und Umspritzmasse andererseits als abgestimmtes System im Bauteil eine optimale Kombination darstellen und daher wie Schlüssel und Schloss zueinander passen: Fasern müssen mit ihrer Schlichte, also Oberflächenbeschaffenheit, an die jeweiligen Kunststoffe, die sie tränken, angepasst werden – und umgekehrt. Umspritzmaterialien wiederum müssen die klassischen Anforderungen des Spritzgusses erfüllen und dabei gleichzeitig im schnellen Prozess die optimale Anbindung der Rippen an die Laminate ermöglichen.
Gemeinsame Lernkurve – das Beste aus zwei Welten
Die größte technologische Hürde ist zurzeit die Entwicklung und Umsetzung von hoch-automatisierten und robusten Prozesstechnologien mit allen Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette und daraus resultierend eine Absenkung der Prozesskosten. Noch sind weder Spritzgießmaschinen noch Werkzeuge, weder Fixierautomaten noch Heizstationen als durchgängige Systeme von der Stange zu haben oder aufeinander abgestimmt. Wenn sie zur Verfügung stehen, lässt sich mit endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbundbauteilen in naher Zukunft die bestmögliche Kombination aus Gewichtsverminderung, Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit für Bauteile in der Karosserie und im Chassis erreichen. Denn mit den Faserlaminaten oder -tapes lassen sich spritzgegossene Bauteile darstellen, die lokal entlang der auftretenden Lastpfade, verstärkt und gleichzeitig im klassischen Spritzguss in bekannter Weise funktionalisiert und modularisiert sind. Hier finden das hocheffiziente Spritzgießen und die individuell am Bauteil benötigte Verstärkung durch Endlosfaserstrukturen eine optimale Verbindung.
Laminat oder Tape?
Dabei erfüllen die beiden verschiedenen Halbzeug-Gattungen unterschiedliche Funktionen: Während thermoplastische Laminate mit Thermoplasten imprägnierte Gewebe sind, müssen für Strukturen aus unidirektionalen (UD) Tapes zunächst Schichtaufbauten aus den vollimprägnierten, Faserbändern erzeugt werden. Dabei eignen sich thermoplastische Laminate besser für großflächige, quasi-isotrope Hybridbauteile; Tape-Gelege eignen sich eher bei lokaler Verstärkung von spritzgegossenen kurzglasfaserverstärkten Bauteilen mit anisotropen Eigenschaften.
Konsolidierung und hohe Investition – die Zeit drängt.
In den nächsten drei Jahre wollen sich die Experten des Chemieunternehmens die Zeit nehmen, um zusammen mit den Kunden in der Automobilbranche fertige Großserienkonzepte für endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundbauteile in Karosserie und Chassis zu entwickeln. „Alle Industriepartner müssen hier gemeinsam Knowhow aufbauen, um die Materialien, die Verarbeitungstechnologie und den Markt zusammen zu führen“, sagte Dr. Andreas Wollny. Die BASF wird zu diesem Zweck rund um ihre Composite-Aktivitäten in den nächsten 3 Jahren einen hohen zweistelligen Millionen-Euro-Betrag in Forschung und Entwicklung investieren. „Viele Kundenprojekte laufen schon“, ergänzte Wollny. „Die BASF steht ab sofort bereit, ihre Expertise in der Formulierung und Verarbeitung von technischen Thermoplasten und thermoplastisch imprägnierten Fasergeweben in weitere Kundenprojekte einzubringen.“
Großserienprozessfähige Composite-Anlage gebaut
„Um selbst Expertise zu gewinnen und ihre Kunden bei der Bauteilentwicklung optimal zu unterstützen, hat die BASF in ihrem Thermoplast-Verarbeitungs-Technikum eine großserienprozessfähige Fertigungsanlage aufgebaut“, berichtete Dr. Reinhard Jakobi, Leiter Verarbeitungstechnik bei BASF Engineering Plastics Europe. Dort werden seit März 2013 multifunktionale Composite-Testkörper nach dem Inmold-Forming-Overmolding-Prozess hergestellt.
Dieses Verfahren, sagt Jakobi, „ist das erfolgversprechendste für die Fertigung von Strukturbauteilen aus Laminaten und Spritzgießmassen“. Das Umformen des Laminats (Drapieren oder auch Inmold-Forming) findet im Werkzeug statt, anschließend erfolgt das Umspritzen (Overmolding). Wird das Laminat außerhalb des Werkzeuges aufgeheizt, ist die Zykluszeit durch parallele Prozessschritte deutlich kürzer, man muss allerdings die aufgeheizten, nicht biege-stabilen Laminat-Einleger sicher transportieren und im Werkzeug positionieren können.
Material-, Verfahrens- und Bauteilentwickung mit CIFO
Um in dieser neuen Fertigungszelle alle Möglichkeiten der Composite-Bauteilgestaltung auszuloten, hat das Unternehmen auch ein eigenes Testbauteil entwickelt: Das so genannte CIFO-Bauteil (abgeleitet von Combination of Inmold-Forming and Overmoulding) ist ein multifunktioneller Testkörper zur Untersuchung und gemeinsamen Entwicklung von endlosfaserverstärkten Composite-Bauteilen für die Serie. Es hat eine Fläche von knapp 40 cm x 40 cm, eine Höhe von 4,5 cm und besteht aus 1,5 mm dicken umgeformten Laminaten sowie bis zu 3 mm dicken angespritzten Funktionselementen wie Rippen und Ränder. An diesem Bauteil mit seinen rund 20 einzelnen Funktionen lassen sich die charakteristischen Merkmale und Probleme der realen Composite-Herstellung nachstellen. Die Besonderheiten des Bauteils umfassen unter anderem umspritzte Ränder, lange Fließwege zum Füllen des Randes sowie durch Stanzen oder Aufweiten angeformte Bohrungen als Montageelemente. Weitere Elemente sind ein Rippenfeld für spezielle Crashuntersuchungen, unterschiedlich gestaltete Rippen/Wanddicken-Übergänge von Laminat und Umspritzmaterial, „Vernäh-Elemente“, das heißt Stellen, an denen das Laminat durchspritzt wurde, sowie ein verrippter U-Profil-Träger. Die CIFO-Bauteile werden werkzeugfallend produziert, das heißt sie sind vollständig umspritzt und es ist keine Nachbearbeitung nötig.
Das Werkzeug (von Georg Kaufmann Formenbau) für die CIFO-Bauteilfertigung besitzt eine hohe Flexibilität durch Wechseleinsätze, zum Beispiel um die Grenzen des Umformens eines Laminats zu untersuchen. Das Werkzeug ist so gestaltet, dass es einfaches und präzises Positionieren der Laminate über Spannrahmen ermöglicht: Diese Spannrahmen geben das Laminat beim Werkzeugschließen geregelt frei.
Neuartige Fertigungszelle für Composite-Entwicklung
Die in Ludwigshafen aufgebaute Fertigungszelle für die seriennahe Herstellung von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Composite-Bauteilen besteht neben Förderbändern, dem Magazin für Laminatzuschnitte und einer manuellen Bestückungsstation für besondere Zuschnitte vor allem aus einem Sechsachs-Roboter als zentralem Element, einer Station zur automatischen Bestückung der Spannrahmen durch den Roboter, einem Aufheizofen mit IR-Strahlern, (alle von FPT Robotik, inklusive Automatisation und Programmierung) sowie einer hydraulischen Spritzgießmaschine (Kraussmaffei KM 300 1400C2, 3000 kN Schließkraft) mit Steuerung für den Heißkanal und die Kernzüge sowie die Schnittstellen zu Roboter und Temperiergeräten.
Vollautomatischer Prozess – hohe Parallelisierung – kurze Zykluszeit
Der Prozessablauf in der neuen Composite-Fertigungszelle ist stark parallelisiert, so dass die Zykluszeit möglichst kurz ist. Zu diesem Zweck werden für die Laminat-Positionierung in der Zelle drei Spannrahmen gleichzeitig genutzt. Die Schritte, die ein einzelner Spannrahmen durchläuft, umfassen die Bestückung des Spannrahmens mit dem Laminat, das Aufheizen des thermoplastischen Laminats, das Einlegen des Spannrahmens ins Spritzgießwerkzeug, das Umformen (Drapieren) und Umspritzen des Laminats, die Entnahme des Spannrahmens und des fertigen Bauteils, sowie die Ablage des Bauteils auf dem Förderband und des Spannrahmens auf der Bestückungsstation.
Während sich einer der Spannrahmen in der Spritzgießmaschine befindet, hält der zweite das Laminat im IR-Ofen (bis 250°C) und der dritte wird durch den Roboter neu bestückt. Mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit fädelt der Roboter das Laminat automatisch in den Spannrahmen ein. Der Greiferarm verfügt über Saugnäpfe und ist so neben der Handhabung der Spannrahmen auch für das Einfädeln der Laminate und die Entnahme der Bauteile ausgerüstet.
In umfangreichen Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass sich mit dieser Fertigungszelle Zykluszeiten von einer Minute erreichen lassen, die einem Standard-Spritzgießprozess entsprechen. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz des Verfahrens in der Großserie erfüllt.
Composite-Auslegung mit Simulationswerkzeug Ultrasim
Als zweiter Teil des Servicepakets Ultracom ist auch das Simulationswerkzeug Ultrasim so erweitert worden, dass sich das Verhalten von Bauteilen aus thermoplastischen Laminaten mit Glasfasergewebe oder Tapes und umspritztem, kurzglasfasergefülltem Polyamid rechnerisch durch Methoden der Integrativen Simulation zuverlässig vorhersagen lässt. Bereits am Beispiel der Sitzschale des Opel Astra OPC wurden die Möglichkeiten der Simulation beschrieben und genutzt.
Die Integrative Simulation der BASF bindet den Herstellungsprozess des Kunststoffbauteils in die Berechnung des mechanischen Bauteilverhaltens mit ein. Aufbauend auf einer rheologischen FE-Simulation des Spritzgussprozesses und einer 3D-Drapiersimulation für das endlosfaserverstärkte Laminat werden die anisotropen Faserorientierungen an jedem Ort des Bauteils auf die entsprechenden Bereiche im mechanischen Bauteil übertragen (gemappt). Für die mit Endlosfasern verstärkten Bereiche wird dazu eine vollständig neue, erweiterte numerische Materialbeschreibung in Ultrasim verwendet, die in der mechanischen Analyse genau die Eigenschaften berücksichtigt, die für die verstärkten, thermoplastischen Materialien typisch sind: Anisotropie, Nichtlinearität, Dehnratenabhängigkeit, Zug-Druck-Asymmetrie, Temperaturabhängigkeit und unterschiedliche Versagensarten.
Genauso wichtig wie die exakte Beschreibung des Materialverhaltens an jedem Ort ist das Design des Bauteils, das heißt die richtige Auswahl und Platzierung der Verstärkungsfasern und des Halbzeugs (unidirektional verstärkte Tapes oder bidirektional verstärkte Laminate). Hier arbeiten die Ultrasim-Entwickler an Erweiterungen der bisher schon eingesetzten Optimierungsmethoden: Die im Bereich der Kurzglasfasermaterialien bekannte und bewährte Ultrasim-Unterstützung wird auch für die neu entstehende Bauteilklasse der endlosfaserverstärkten Materialien Ultracom zur Verfügung stehen.
Bauteilprüfung im Experiment – mit Computer-Tomographie
Für die experimentelle Untersuchung von Probekörpern, Mustern und neuen Composite-Bauteilen steht ein breites Spektrum an Prüfeinrichtungen einschließlich des Experten-Know-hows zur Verfügung. Die neue Computer-Tomographie-(CT)-Anlage gestattet nun auch eine ganz spezielle Art der Prüfung von Materialproben, Bauteilen und Verbindungen: Die CT ermöglicht wie keine andere Technologie einen detaillierten Einblick in die inneren Strukturen und Eigenschaften von Composites, ohne dass sie dafür zerstört werden müssen.
Zu weiteren Prüfmöglichkeiten gehören unter anderem Temperatur-, Klima- und Medienlagerungen sowie Versuche mit quasi-statischen, dynamischen oder schlagartigen Kräften bzw. Innendrücken. Einzelne Bauteilstrukturen können gezielt mit Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionslast – auch temperiert – beaufschlagt werden. Darüber hinaus befasst sich das Prüflabor mit der Untersuchung und Optimierung von Verbindungstechniken wie Schweißen, Kleben oder Verschrauben: unverzichtbar für Multimaterial-Design von thermoplastischen Composite-Bauteilen.
Bauteilentwicklung mit BASF-Unterstützung
Zusammen mit der Simulation und der Bauteilprüfung steht die neue Fertigungszelle für kundenspezifische Projekte zur Verfügung. Neben dem Werkzeug sind der Greifer und die Spannrahmen dann für das individuelle Kunden-Bauteil auszulegen und die Roboterkinematik anzupassen. Zurzeit wird vorwiegend mit Laminat-Halbzeugen gearbeitet. „Bis zur K 2013 werden auch unidirektional orientierte und zu Gelegen konsolidierte Tapes einsetzbar sein“, sagt Dr. Reinhard Jakobi. „Erste Kundenprojekte laufen bereits. Das optimale Zusammenspiel von Anwendungsentwicklung mit Simulation, Verarbeitungstechnik und Prüflabor unter einem Dach gestattet eine Unterstützung des Kunden über die gesamte Prozesskette: von der Materialcharakterisierung bis hin zur Serieneinführung von Bauteilen. Auf diese Weise lassen sich gemeinsam und hocheffizient Composite-Bauteile entwickeln.“
(dw)
