Im Pkw-Segment zeigen die umweltrelevanten Anforderungen – strengere Abgasgesetze und Flottenverbrauchsvorgaben – in der Entwicklung moderner Antriebssysteme Wirkung. So entstanden bereits saubere Diesel-, Hybrid- und Elektrotechnologien. Doch schnell wurde klar, dass diese neuen Antriebe zur Erfüllung künftiger gesetzlicher Anforderungen nicht ausreichen würden. Die Automobilhersteller begannen daher, diese modernen Fahrzeugantriebe mit Leichtbaukonstruktionen zu kombinieren, um gesetzliche Auflagen maximal und zukunftssicher erfüllen zu können.

Thermoset-Composite-Systeme sind eine leichte Alternative zu konventionellen Stahlkonstruktionen – auch bei tragenden Fahrzeugkomponenten. Diese Materialien erlaubten schon immer hohe Design-Flexibilität zu verhältnismäßig geringen Prozesskosten, schränkten durch die bisher üblicherweise verwendeten, eher langsam aushärtenden Thermoset-Harze die möglichen Stückzahlen aber stark ein. Vor diesem Hintergrund waren neue Prozesstechnologien und erhebliche chemische Innovationen erforderlich, um Thermoset-Systeme in der für die Automobilindustrie typisch hohen Stückzahlen wirtschaftlich interessant werden zu lassen. So betrug 2006 die typische Herstellungsdauer einer Hochdachkomponente etwa 50 Minuten, was vor vier Jahren in der Composite-Produktion einen akzeptablen Zeitaufwand darstellte.

Gussform- und Prozesstechnologie

Steigende Produktionsanforderungen machen heute aber deutlich kürzere Produktionszyklen bei gleicher Materialleistung und Oberflächengüte erforderlich. Ursprünglich wurde der RTM-Prozess nur für geringe Stückzahlen von unter 5000 Teilen pro Jahr als wirtschaftlich angesehen. Der Harztransferguss ist eine Flüssigtechnologie, bei dem das vorbereitete Epoxidgemisch unter Druck in eine geschlossene Gussform eingespritzt wird und ein Nettoformteil entsteht, das bereits auf beiden Seiten eine extrem hohe Oberflächengüte besitzt. Vor dem Einspritzen des Harzgemischs wird in die Gussform ein Verstärkungspaket eingesetzt, das durch das anschließende Einspritzen des Harzes unter Druck in das Bauteil integriert wird. Im Schema werden die einzelnen Prozess-Schritte gezeigt, wobei die roten Boxen den eigentlichen RTM-Prozess darstellen.

Die hohe Nachfrage nach diesem Bauteil führte beim Automobilzulieferer Fritzmeier, Großhelfendorf, in Zusammenarbeit mit Dow Automotive Systems, Schwalbach, zur Entwicklung einer Produktionsstraße mit sechs parallelen, identischen Formen, die jede eine eigene Vertikalpresse (4000 kN) besitzen, aber von einer einzelnen Krauss Maffei RIM Star 2001/5 Harztransfergusseinheit beschickt werden. So wurde die Produktivität für diese große Komponente maximiert.
Das Composite-System besteht aus einer Struktur mit Schaumkernen und einer vorgeschnittenen Glasfasermatte, die mit dem Thermosetharz durch die Einspritzung verbunden werden. Die Polyurethan (PUR) Schaumkerne werden vor Ort auf einer eigenen Produktionsstraße hergestellt und für eine optimale Anhaftung vor dem Einsetzen in die Form aktiviert. Für eine exakte Prozesswiederholbarkeit werden die Glasfasermatten bei Fritzmeier auf einer CNC-Schneideanlage parallel auf ihre endgültigen Abmessungen vorgeschnitten.
Zum Gussformprozess gehört die vorherige Einlage eines Oberflächenflors zur Optimierung der Oberfläche, gefolgt von einer Lage Glasfasermatten als Verstärkung. Anschließend werden die sechs PUR-Kerne sorgfältig manuell eingesetzt, gefolgt von einer weiteren Lage Glasfasermatten. Danach wird die Form geschlossen und das Harz eingespritzt.

Die Gussform

Der Zulieferer arbeitet mit Nickelschalenformen. Diese Gussform besitzt eine aufgedampfte Schale aus reinem Nickel von etwa 18 mm Stärke zur Herstellung einer Nettoformoberfläche. Die Nickelschicht wird atomweise erzeugt und reproduziert dadurch selbst winzige Details der Oberfläche. Die fertige Nickelschale ist völlig spannungsfrei und besteht zu 99,98 % aus reinem Nickel. Die Größe einer so erzeugten Gussform wird nur durch die Größe der verfügbaren Beschichtungskammer begrenzt. Die Mindestwandstärke kann nur wenige Hundertstel Millimeter betragen, die Maßhaltigkeit liegt bei maximal 0,05mm auf einer Länge von zwei Metern.

Die Nickelschale sitzt auf einer 30 bis 50mm starken Basisplatte aus Stahl und Kupfer mit Edelstahl-Kühlkanälen. Die Strukturfestigkeit der Form entsteht mit Hilfe eines Stahlrahmens, dessen Rippen auf einer 45 mm starken Grundplatte aufsetzen. Das Gewicht der für das rechts gezeigte Formteil benutzten Gussform beträgt nur 24 Tonnen. Zu den Vorteilen der Nickelschalenform gehören:

  • geringes Gewicht und hohe Festigkeit,
  • exakte Maßhaltigkeit,
  • gleichmäßige Formoberflächentemperaturen,
  • hohe thermische Leitfähigkeit (Nickel leitet 70 mal besser als Stahl),
  • schnelle und konsistente Produktion zahlreicher Formen.

 

Allerdings ist eine Nickelschalen-Stahlrahmen-Gussform bezogen auf die Lebensdauer nicht mit einer aus massivem Stahl gedrehten Gussform vergleichbar. Der Innendruck bei der Einspritzung muss sehr exakt gesteuert werden.

Harz- und Prozessgrenzen

In enger Zusammenarbeit entwickelten Verarbeiter und Rohstoffhersteller in diesem Anwendungsbeispiel ein spezielles, an die Material- und Leistungsparameter dieser Hochdach-Schlafkabine angepasstes Epoxidsystem. Das neue System erlaubt deutlich kürzere Zykluszeiten ohne Nachteile für die spezifischen physischen Eigenschaften und die Ästhetik des lackierten Fertigbauteils. Mit dem Dreikomponenten-Epoxidsystem Voraforce erreicht Fritzmeier eine Halbierung der bisherigen Zykluszeit bei Erfüllung aller Material- und Bauteilanforderungen. Zu einem Produktionszyklus gehört eine 2,5-minütige Einspritzzeit zur Füllung aller Hohlräume und zur vollständigen Durchtränkung der Glasfasermatten sowie eine Aushärtungszeit von 23,5 Minuten. Somit ergibt sich derzeit eine Gesamtzyklusdauer von 26 Minuten.

Das Zusammenspiel aller chemischen Komponenten ist für die Verkürzung der Zykluszeiten von entscheidender Bedeutung. Das ursprünglich eingesetzte Flüssigharz wurde durch ein funktionalisiertes und damit reaktiveres Epoxidharz ersetzt. Gleichzeitig kommen neue Amine als Härter zum Einsatz, die auf die schnellere Reaktionszeit des Harzes und das gleichzeitig spätere Einsetzen der Aushärtungsphase abgestimmt sind, um eine gute Füllung der Form zu ermöglichen. Wie bei Epoxid-RTM-Prozessen üblich, werden das Epoxidharz und der Härter in zwei getrennten Tanksystemen vorgehalten. Harz und Härter werden beim Einspritzprozess erst unmittelbar vor Eintritt in die Form vermischt. Der Prozess arbeitet zur Entformung mit interner Formtrennung. Das Formtrennmittel und das Flüssigepoxidharz werden vorgemischt und bei 60°C vorgehalten. Der Härter mit seiner wesentlich geringeren Viskosität wird bei 30°C vorgehalten. Durch die höhere Temperatur sind die Viskosität des Epoxidharzes und des Härters etwa gleich, was für eine bessere Durchmischung im RTM-Prozess sorgt, der ohne mechanischen Mischer auskommt. Und je homogener die Durchmischung der reaktiven Komponenten ist, desto größer ist ihre Kontaktoberfläche, was wiederum die Reaktivität erhöht, das Verglasungsrisiko verringert und letztlich die Aushärtung beschleunigt. Die Form wird dabei konstant auf 85°C gehalten.
Unmittelbar nach der Durchmischung beginnt die Reaktionsphase mit der Steigerung des Molekulargewichts und der Viskosität. Bei der Entwicklung eines solchen Systems müssen zwei gegeneinander arbeitende Kräfte gesteuert werden. Baut sich die Viskosität zu schnell auf, füllt sich die Form nicht vollständig und/oder das Harz bleibt zur vollständigen Durchtränkung der Glasfasermatten nicht ausreichend lang dünnflüssig. Diese bleiben dann teilweise trocken und an der Oberfläche, was zu schlechteren Bauteileigenschaften und inakzeptabler Ästhetik führt. Baut sich die Viskosität dagegen zu langsam auf, verlängern sich die Zyklen auf nicht akzeptable Weise. Daher müssen Reaktion und der daraus folgende Anstieg der Viskosität der entstehenden Mischung exakt gesteuert werden.
Für die Hochdach-Schlafkabine im Beispiel wurden daher die Reaktivität und Prozesszeit bei der Entwicklung des Epoxidsystems besonders berücksichtigt. So baut das System jetzt eine Viskosität auf, die eine sehr gute Durchtränkung der Glasfasermatten bei einer Einspritzzeit von weniger als drei Minuten erlaubt. Dabei werden etwa 34 kg Harz eingespritzt, die sich sehr schnell vermischen, um die Restzykluszeit möglichst kurz zu halten.

Einzelkomponenten

Zur Maximierung der Leistung und Minimierung des Gewichts wird die Hochdach-Schlafkabine in Sandwich-Bauweise hergestellt. Im ersten Prozess-Schritt werden die festen Polyurethan-Schaumkerne hergestellt, die in die RTM-Form eingesetzt werden. Dazu werden sechs einzelne Schaumteile benötigt. Der Schaum besitzt eine Dichte von etwa 120 kg/m3, und die Kombination aus Schaum, Glasfaserverstärkung und Harz ergibt ein erheblich leichteres Bauteil als eine Ausführung mit konventionellen Materialien. Ein weiteres, wichtiges Kriterium für den PUR-Schaum ist sein Druckwiderstand, der für die im späteren Gebrauch zu erwartenden Lasten und Kräfte ausreichend sein muss. Das bislang eingesetzte System hatte einen Druckwiderstand von 1400 kPa bei 10 Prozent Dehnung. Die PUR-Schaumkerne werden sandgestrahlt, um alle Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, insbesondere die Reste des Formtrennmittels, das die Anhaftung des Epoxidharzes im weiteren Prozess verschlechtern würde. Nach dem Sandstrahlen und Reinigen können die Kerne im weiteren RTM-Prozess verwendet werden. Der gesamte Kern besteht aus den sechs PUR-Schaumformteilen, die in Zufallsfaserstoff eingeschlagen und mit PET-Flor beschichtet sind, um eine lackierfähige Oberflächenqualität des Fertigbauteils zu gewährleisten. Ein Teil des Kerns enthält ein Metallgeflecht, um den Fahrer vor Blitzschlag zu schützen. Das gesamte Kernpaket wird vorsichtig von Hand in die Form eingesetzt, in die das Epoxidharz eingespritzt wird. Nach dem Aushärten ergibt sich die fertige Composite-Hochdach-Schlafkabine. Das Fertigbauteil wiegt etwa 64 kg bei 2,40 m Breite, 2 m Länge und 40 cm Höhe. Damit ist es um 40 Prozent leichter als ein herkömmliches Hochdach aus Stahl.

Neue Technologie
Neues Composite-System erlaubt Leichtbau mit hohenStückzahlen

Composite-Materialien werden im Fahrzeugbau seit jeher wegen ihrer geringeren Investitionskosten bei Kleinserien, ihrer hohen Designflexibilität, dem geringen Gewicht und der Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Der weltweit hohe Druck auf die Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie zur Erfüllung strenger Abgasvorschriften führt zu Leichtbaukonstruktionen. Durch den Einsatz von Composite-Materialien anstelle von Stahl konnte im Beispiel eine Gewichtsreduzierung von 40Prozent erreicht werden. Zusammen mit den erforderlichen Innovationen in der Harztechnologie (schnell aushärtende Epoxidsysteme mit langen Gelierzeiten und einer Formtrennung unter fünf Minuten) bieten neue Glasfasertechnologien (preiswertere Massenware in Industriequalität) und Prozesstechnologien (beispielsweise Hochdruck-RTM mit automatisierter Vorformherstellung) in den nächsten drei bis fünf Jahren das Potenzial zur Steigerung der Produktionszahlen von wenigen tausend Einheiten pro Jahr auf 30000 bis 50000 Fahrzeuge pro Jahr. Das wird die Art, wie Fahrzeuge hergestellt werden, grundlegend ändern. Hierzu wird allerdings eine enge Zusammenarbeit zwischen den wichtigsten Lieferanten der Technologien erforderlich sein. Auf diesem langen Weg ist die in diesem Artikel beschriebene Partnerschaft zwischen Dow Automotive Systems und Fritzmeier Composite ein guter Anfang.

 

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Über den Autor

Shields / D’Hooghe / Toccalino / Fanget , Dow Automotive Systems, toccalino@dow.com, nshields@dow.com, edh@dow.com, afanget@dow.com und Josef Guggenberger, Leiter Fertigung, Fritzmeier Composite, j.guggenberger@fritzmeier.de