Werkstoffklasse für die Zukunft

Mit den Jahren merkbar leichter geworden sind unsere fahrbaren Untersätze: Ein Kinderwagen aus den Sechzigern ist deutlich schwerer als ein modernes faltbares Modell aus CFK und Aluminium. Rennradfahrer der Tour de France hatten vor 60 Jahren wesentlich mehr Gewicht auf die Pyrenäen zu pedalieren, als heutige Athleten, deren Rennräder oft nur acht bis neun Kilo wiegen und komplett aus Carbon gefertig sind. Und ein modernes Automobil wiegt – trotz deutlich mehr Komfort und Sicherheit – längst nicht mehr so viel wie die direkten Nachfolger des Wagens von Berta und Carl Benz. Doch der Metallersatz durch leichtere Materialien, vorzugsweise Kunststoff, ist nur eine Facette des Leichtbaus. Weniger Gewicht lässt sich auch durch veränderte Strukturen erzielen. Anschauliche Beispiele sind eine Wabenstruktur im Bienenstock oder die Flügel einer Libelle: Sie machen nur etwa zwei Prozent des Körpergewichtes aus, halten jedoch hohen Dauerbelastungen stand.

Innovationstreiber im Leichtbau sind die CO2-Reduktion im Transport- und Automobilbereich ebenso wie die Einsparung von Rohstoffen und Energie. Der Leichtbau ist damit ein Kind unserer Zeit und entspringt unter anderem dem Trend zur Nachhaltigkeit. Leichtbaukonzepte lassen sich in drei Ansätze unterteilen. Dem Stoff- und Strukturleichtbau, dem konstruktiven Leichtbau und dem Systemleichtbau. Der Stoffleichtbau ist die Strategie mit dem größten Einsparungspotenzial. Konventionelle Materialien werden durch leichtere Werkstoffe oder Materialien mit verbesserten Eigenschaften ersetzt. Letztere gestatten, das Gewicht durch dünnere Wandstärken zu verringern – bei gleicher Leistung. Zur zusätzlichen Gewichtsreduktion werden einige Materialien in ihrer Struktur verändert. Diese Erzeugung von Hohlstrukturen – zum Beispiel Schäumen – wird unter dem Begriff Strukturleichtbau zusammengefasst. Eine weitere Strategie des Leichtbaus ist der Form- oder konstruktive Leichtbau. Dabei geht es um die konstruktive Optimierung eines Bauteils und der Materialverteilung im Bauteil selbst.

Während die ersten beiden Prinzipien einzelne Elemente oder Baugruppen betrachten, wird bei dem Ansatz des Systemleichtbaus das gesamte System betrachtet. Durch die Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil lässt sich das Gesamtgewicht eines Systems verringern, obgleich sich das Gewicht einzelner Elemente oder Baugruppen durch die Funktionsintegration durchaus leicht erhöhen kann. Beispielsweise kann die Funktion der akustischen Dämmung mit der strukturellen Festigkeit kombiniert werden (Automobilbau).

Im Fortschrittsbericht der Nationalen Plattform Elektromobilität der Gemeinsamen Geschäftsstelle Elektromobilität der Bundesregierung (GGEMO), Berlin, gilt der Leichtbau als einer der fünf Themenfelder, die für den technologischen Vorsprung Deutschlands sorgen sollen (siehe Kasten infoDIRECT). Das Volumen der geförderten Leichtbau-Projekte beträgt 300 Millionen Euro.

Der Leichtbau gilt aber nicht nur im Automobilbau als Schlüssel-technologie der Zukunft. Die Nachfrage nach Leichtbauwerkstoffen ist von 2002 bis 2007 um 300  Prozent gestiegen. Metallische Leichtbauwerkstoffe sind Aluminium, Magnesium, hochfeste Stähle und Titan. Daneben gelten Faserverbund-Werkstoffe als klassische Leichtbaumaterialien. Als Fasern werden dabei verwendet: Glas-, Kohlenstoff-, Keramik- (meist in einer Keramikmatrix), Aramid, Bor-, Stahl-, Natur- sowie Nylonfasern.

Markt für Faserverbund-Kunststoffe

Eine Untergruppe der Faserverbund-Werkstoffe sind die Faserverbund-Kunststoffe (FVK). Nur etwa drei Prozent der weltweiten Kunststoffproduktion fließen in Anwendungen mit FVK – ein sehr geringer Anteil. Dies erklärt sich dadurch, dass es sich um spezielle technische Teile handelt, die selten in Massen- oder Großserienproduktion gefertigt werden. Bei den FVK ist zwischen glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) und kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zu unterscheiden. Naturfaserverstärkte Kunststoffe sind im Kommen, fallen aber noch nicht ins Gewicht. Das gesamte GFK-Produktionsvolumen ist 2011 auf knapp über eine Million Tonnen moderat gewachsen und jetzt wieder auf dem Niveau des Jahres 2008, so der Marktbericht der AVK Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, Frankfurt, vom Septemer 2011. CFK hat das Niveau von 2008 wieder erreicht. Analysten gehen von einem Bedarf über 35.000 Tonnen für 2011 aus. Dies entspricht einer Steigerung von etwa 10 Prozent. Bereits 2015 wird sich dieser Bedarf nach Schätzungen verdoppelt haben. Der Hauptanteil des CFK-Marktes ist dabei den Composites mit Kunststoffen zuzuordnen. Als Matrix werden Epoxid-, Phenol- und Polyesterharz sowie Thermoplaste verarbeitet.

Aus den besonderen Merkmalen der FVK ergibt sich das hohe Potenzial dieser Stoffklasse. Bauteile aus FVK sind besonders leicht und sehr steif. Sie sind korrosions- und medienbeständig, hitzeresistent, haltbar und langlebig. Sie besitzen ein gutes Dämpfungsverhalten und sind formstabil. Sie bieten ein hohes Maß an Designfreiheit und lassen sich in ihren Eigenschaften durch Art oder Menge der Faserbeimischungen maßschneidern. Von Nachteil ist, dass das klassische Vorgehen beim Entwickeln von Bauteilen nicht anwendbar ist. Ein Forschungsschwerkpunkt ist daher die Simulation in der Produkt-, Werkzeug- und Verfahrensentwicklung.

Herausforderung Serienproduktion

Generell können sowohl Kleinstteile – etwa in der Medizintechnik – Serienbauteile im Automobilsektor und auch Großbauteile – wie Flügel für Windenergieanlagen – mit einer Länge von etwa 60 Metern hergestellt werden. Die bedeutendsten Anwendungen sind im Bau- und Transportwesen zu finden. Typisch sind Rohre, Tanks, Profile oder Platten sowie Aufbauten für LKW. Außerdem werden FVK für Produkte in der Sport- und Freizeit- sowie der Elektro- und Elektronikindustrie eingesetzt: zur Herstellung von Rennrädern, Skischuhen, Walkingstöcken oder für Schaltschränke oder Schalter.

Viele Leichtbauteile werden nur in geringer Stückzahl gefertigt. Was in der Luft- und Raumfahrt kein Problem darstellt, da ohnehin nur wenige Teile benötigt werden, behindert das den Siegeszug in Massenmärkten oder für Großserien wie beispielsweise in der Elektronik und dem Automobilbau.

Moderne Flugzeuge bestehen zu einem erheblichen Anteil aus FVK. Im Airbus A 380 wurden vier verschiedene Varianten verwendet: GFK, CFK, QFK (Quarzverstärkte Kunststoffe) und Glare (mit Glas verstärktes Aluminium-Laminat). Den höchsten Composite-Anteil hat der A350 mit 53 Prozent. Auf ähnliche Werte schafft es auch der 787 Dreamliner von Boeing mit etwa 50 Prozent. Ein so hoher Anteil an FVK in der Luftfahrt rechnet sich auch bei teuren Bauteilen: 10 kg Mindergewicht sparen 3 L Kerosin pro Flugstunde.

Im Fahrzeugbau erproben die Beteiligten derzeit serientaugliche Verfahren zur Herstellung und Bearbeitung von Bauteilen aus Faserverbund-Kunststoffen oder ihren Kombinationen mit Aluminium oder Stahl. Die besonderen Eigenschaften der FVK machen viele Anforderungen an das Automobil der Zukunft möglich: Mehr Designfreiheit erlaubt die Senkung des cw-Wertes, die Autos werden leichter, ohne Abstriche an der Sicherheit machen zu müssen.

Herstellungsverfahren beeinflusst Eigenschaften des Bauteils

Die Entscheidung für ein Herstellverfahren wird durch die jeweiligen Anforderungen an Wirtschaftlichkeit (Stückzahl!) und Technik bestimmt. Die Verfahren ermöglichen unterschiedliche Fasergehalte, über die sich Einfluss auf die Festigkeit beziehungsweise das Elastizitätsmodul und damit die Eigenschaften eines Bauteiles nehmen lässt. Man unterscheidet zwischen manuellen, teilautomatisierten, vollautomatisierten und kontinuierlichen Verfahren.

Das Handlaminieren oder Faserspritzen zählt zu den manuellen Verfahren. Die Bauteile sind Einzelanfertigungen mit geringen Stückzahlen. Der Fasergehalt ist überwiegend gering und liegt in der Regel bei etwa 20 bis 40 Prozent.

Zu den teilautomatisierten Verfahren zählen beispielsweise die Injektionsverfahren – RTM, Vakuuminjektion, Druckinjektion – sowie Faser-Harz-Spritzen und Niederdruckverfahren. Kleinbauteile bis hin zu Windkraftflügeln können so hergestellt werden. Die Stückzahl ist in der Regel deutlich höher, erreicht aber meist noch nicht die Mengen einer Großserienfertigung. Der Fasergehalt liegt im mittleren Bereich bei etwa 30 bis 50 Prozent.

Großserien werden mit vollautomatisierten Verfahren angefertigt. Zu den Prozessen zählen hier vor allem die Pressverfahren – Nass-, Kalt-, Warmpressen und einige andere. Da Halbzeuge – Massen, Platten, Vorformlinge – anstelle der Rohstoffe verwendet werden können, lassen sich so hohe Stückzahlen produzieren. Anwendungen in der Serienfertigung beispielsweise der Automobilindustrie arbeiten stets mit vollautomatischen Pressen. Der Fasergehalt ist sehr weit gestreut, lässt sich aber eher im mittleren Bereich ansiedeln.

Zu den kontinuierlichen Verfahren zählt das Pultrusion- oder auch Strangziehverfahren. In diesem werden Profile jeglicher Art hergestellt. Dabei werden die Fasern mit hoher Kraft durch ein formgebendes Werkzeug gezogen. Aufgrund der hohen Drücke können hier die höchsten Fasergehalte – theoretisch über 80 Prozent – realisiert werden.

Als Sonderverfahren gelten Wickel-, Flecht- und Schleuderverfahren. Mit ihrer Hilfe werden Produkte mit spezifischen Eigenschaften an Form oder Belastung hergestellt: Beim Schleuderverfahren zum Beispiel Silos mit großem Durchmesser oder beim Wickeln Druckbehälter für den Automobilsektor sowie Rohre für die chemische Industrie und beim Flechten Rahmen für Rennräder. Die Fasergehalte liegen üblicherweise im mittleren Bereich.

Herstellkosten senken

Geforscht wird vor allem, um die Herstellung und Weiterverarbeitung der Bauteile kostengünstiger zu gestalten. Dabei geht es nicht nur um die Herstellprozesse an sich, sondern auch die Nachbearbeitung oder das Vorbereiten der Halbzeuge. Das EU-Projekt „FibreChain“ und das BMBF-geförderte Projekt „InProLight“ haben es sich zum Ziel gesetzt, unterschiedliche integrative Prozessketten von anspruchsvollen Speziallösungen bis hin zur großserientauglichen Produktion thermoplastischer FVK-Bauteile zu entwickeln. Das Fraunhofer ILT, Aachen, übernimmt hierbei die Teil-Aufgabe, das Fügen und Schneiden der Bauteile zu optimieren. Ausgehend vom Rohmaterial entwickelten Andreas Rösner und seine Kollegen ein Verfahren zum strukturellen Fügen. Bislang wurden Leichtbauteile durch Kleben oder Nieten verbunden. Beides ist teuer und dauert lange. Um dies zu umgehen, verbindet Rösner die Komponenten mit einem Laser. Dabei wird die Energie direkt in die Fügezone eingebracht, die Prozesszeit so deutlich verkürzt. Mit Laserfügen lassen sich sowohl komplexe Bauteile aus Einzelteilen herstellen als auch lastangepasste Strukturen durch selektive Versteifungen erzeugen.

An vielen Stellen der Prozesskette müssen außerdem Halbzeuge zugeschnitten, besäumt oder Löcher geschnitten werden. Dabei soll die Kantenschädigung des Materials auf ein Minimum reduziert werden. Frank Schneider und seine Kollegen,ebenfalls am Fraunhofer ILT, entwickeln neue Schneidverfahren unter anderem mit einem Kurzpuls-C02-Laser. Die thermische Schädigung des Materials kann durch den geringen Wärmeeintrag erheblich reduziert werden. Fast ohne thermische Schäden funktioniert es beim Einsatz von Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern. Bei Leistungen bis 500 W können mit diesen Lasern wirtschaftliche Prozess-Schritte auch an hochempfindlichen Werkstoffkombinationen der Luft- und Raumfahrt umgesetzt werden.

Durch die eingesetzten Laserschweiß- und schneidverfahren soll die Herstellung von FVK-Bauteilen deutlich vereinfacht werden, automatisierbar und vor allem schnell und kosteneffizient sein. Und genau das ist der Schlüssel, damit sich Leichtbauteile im Automobilbau, der Elektronik und im Freizeitbereich auch in der Breite durchsetzen können.

Technologiewissen

Was ist… ? – Abkürzungen und Fachbegriffe im Leichtbau

• FVW – Faserverbundwerkstoff: Ein Faserverbundwerkstoff ist ein aus zwei Hauptkomponenten (Matrix und Fasern) bestehender Mehrphasen- oder Mischwerkstoff. Durch gegenseitige Wechselwirkungen der beiden Komponenten erhält er höherwertige Eigenschaften als jede der beiden einzelnen Komponenten.

• FVK – Faserverbundkunststoff: Faserverbundwerkstoff mit einer Kunststoff-Matrix.

• GFK – Glasfaserverstärkter Kunststoff: Der bedeutendste Faserverbund-Kunststoff. 2010 wurden über eine Million Tonnen produziert. Umgangssprachlich als Fiberglas bezeichnet, finden hier sowohl Duroplaste als auchThermoplaste als Matrix Verwendung.

• CFK – Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff: Umgangssprachlich als Carbon bezeichnet. Als Matrix werden Duromere (zu etwa 90 Prozent) oder Thermoplaste eingesetzt. Wachsender Marktanteil.

• Glare: Glasfaserverstärktes Aluminium, Hybridwerkstoff, bestehend aus vielen, je nur Zehntel Millimeter dicken Schichten, abwechselnd Aluminium und Glasfaserlaminat. Die Schichten werden unter Druck verklebt.

• LFT – Langfaserverstärkte Thermoplaste: Faserverbund-Kunststoffe mit Thermoplast-Matrix, deren Fasern im Bauteil länger sind als ein Millimeter.

• SMC – Sheet Moulding Compound: Plattenförmige, teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern. Alle nötigen Komponenten vollständig vorgemischt, fertig zur Verarbeitung. Meist werden Polyester- oder Vinylesterharze verwendet. Die Verstärkungsfasern – in Matten-, seltener in Gewebeform – haben eine typische Faserlänge von 25 bis 50 mm. Eigenschaften und Bezeichnungen von SMC sind in der EN 14598 geregelt. SMC-Halbzeuge liegen in Folienform vor. Diese werden zugeschnitten und mit Fließpressen zum fertigen Bauteil verarbeitet.

• GMT – Glasmattenverstärkte Thermoplaste: Obwohl das Wort Glasfaser in der Bezeichnung vorkommt, existieren auch kohlenstofffaser-verstärkte Thermoplaste (Advanced GMT). Die Verstärkungsfaser liegt in Kurz- und Langfasern vor. Durch die wirre, unvernadelte Form der Fasern sind große Umformgrade möglich.

• BMC – Bulk Moulding Compound: Ist ein Faser-Matrix-Halbzeug meist aus Kurz-Glasfasern und einem Polyester- oder Vinylesterharz. Naturfasern, als preiswerte Alternative zu Glasfasern, finden zunehmend Verbreitung. Es wird als formlose, sauerkrautartige Masse in Beuteln oder anderen Gebinden geliefert. Verarbeitet wird BMC im Heißpressverfahren oder – bei kurzen Faserlängen – auch im Spritzguss.

• RTM – Resin Transfer Moulding: Auch Spritzpressen. Dabei werden Fasermatten in ein Werkzeug eingelegt und danach mit einem flüssigem Harz-Härter-Gemisch unter Druck umgossen. Das Harz reagiert unter Wärmezufuhr aus, wodurch ein fester Körper entsteht.

• RIM – Reaction Injection Moulding (RIM): Zwei Komponenten werden intensiv gemischt und unmittelbar anschließend als Reaktionsmasse in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Die Aushärtung findet in der Form statt. Kennzeichnend ist unter anderem ein geringer Zuhaltedruck der Formwerkzeuge. Die Formstandzeiten liegen zwischen einer und fünf Minuten.

(Quellen: Wikipedia, AVK, maschinenbauwissen.de)

Termine

Veranstaltungen zum Leichtbau

• 1. AVK-Fachtagung „Reparatur von Composites“, 28.08.2012, Frankfurt a.M., www. avk.de

• Dimensionieren mit faserverstärkten Kunststoffen – Festigkeitskriterien, neueste Entwicklungen und Software-Einsatz, 10. bis 11.09.2012, IKV-Seminar

• Internationale AVK-Tagung für Faserverstärkte Kunststoffe, 08.10. bis 09.10.2012, Düsseldorf, www. avk.de

• Composites Europe, 09. bis 11.10.2012, Düsseldorf, www.composites-europe.com

• 6. Landshuter Leichtbau-Colloquium, 27. und 28. Februar 2013, Landshut, www.leichtbau-colloquium.de

• JEC Europe Composites Show & Conferences, 12. bis 14. März 2013, Paris, Frankreich, www.jeccomposites.com

• Innomateria, 14. bis 15. Mai 2013, Köln, www.innomateria.de

• Internationales Dresdner Leichtbausymposium, jährlich im Juni, Dresden, www.leichtbausymposium.de