Die Regulierung des CO2-Ausstoßes sorgt bis zum Jahr 2030 für ein dreistelliges Milliardenwachstum im automobilen Leichtbau – dies ist das Ergebnis einer Studie, die die Unternehmensberatung McKinsey & Company zum Jahresbeginn vorgestellt hat. Demnach müssen die Automobilhersteller den Anteil von Leichtbauteilen im Fahrzeug bis 2030 von 30 auf 70 Prozent steigern, um die Zunahme des Fahrzeuggewichts durch Elektroantrieb und kraftstoffeffiziente Motorentechnik zu kompensieren. Dadurch werden mit High-Tech-Kunststoffen und innovativen Produktlösungen auf Basis von TPE, PP, PA und PPS der interpolymere Wettbewerb und die Metallsubstitution forciert.

„Die Elektromobilität der Zukunft wird den Automobilbau nachhaltig verändern“, bringt es der Vorsitzender des VDI-Fachausschusses Kunststoffe im Automobilbau Prof. Dr. Rudolf C. Stauber auf den Punkt. „Leichtbau-Konzepte aus CFK-Verbundwerkstoffen, Karosserieanbauteile mit Folienüberzug, flächige Fahrzeugheizungen, und Verscheibungen mit integrierter Solartechnik erschließen für den Kunststoff neue Anwendungen bei zukünftigen Fahrzeuggenerationen.“

ie Herausforderung der nächsten Zeit ist es, der Gruppe der Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe zum industriellen Durchbruch zu verhelfen: „Faserverstärkte Kunststoffe, im Besonderen CFK, sind eine wertvolle Ergänzung im Portfolio der Leichtbauwerkstoffe. Voraussetzung zum Durchbruch dieser Technologie für Fahrzeuge des Volumenmarktes ist, mit der Entwicklung der Großserienprozesse automobilbaugerechte Zykluszeiten zu erreichen und die Prozesskosten um bis zu 90 Prozent im Vergleich zum Jahr 2010 zu reduzieren“.

Interesse an höheren Ausbringleistungen

Faserverstärkte Kunststoffe werden bevorzugt dort eingesetzt, wo hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gefordert ist, denn es lassen sich höchste mechanische Eigenschaften mit Endlosfasern erreichen. Doch trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften bleibt der Großserien-Einsatz bislang beschränkt. Dies liegt unter anderem daran, dass kein geeignetes Großserien-Verfahren zur Fertigung von endlosfaserverstärkten Hochleistungsbauteilen zur Verfügung steht. Die existierenden Fertigungsverfahren wie das Prepreg-Tapelegen, das Harzinjektions-Verfahren (RTM) oder das Harzinfusions-Verfahren (RI) sind aufgrund von langen Fertigungszeiten nur für kleine bis mittlere Stückzahlen geeignet. Vielfach beinhalten die Verfahren einen hohen Anteil manueller Arbeit, was sich negativ auf die Fertigungszeit, die Bauteilqualität und auf die Bauteilkosten auswirkt.

Nach Dieter Therolf, Dieffenbacher Maschinen- und Anlagenbau, Eppingen, ist ein weitergehender Einsatz von den Fortschritten der Verfahrensentwicklungen, insbesondere der Ausbringleistungen und den Materialpreisen abhängig. Deshalb stoßen neue Verfahren, zur Verarbeitung von CFK, wie das Hochdruck-RTM-Verfahren, auf großes Interesse seitens der Industrie. Denn es verspricht Bauteile mit guten mechanischen Eigenschaften bei geringem Gewicht in Class-A-Qualität. „Hier ist jedoch noch viel Entwicklungsarbeit im Prozess und in der Maschinen- und Anlagentechnik notwendig,“ merkt Therolf an. „Der LFT-Prozess (fließoptimiertes Bereitstellen des Plastifikats) im Direktverfahren ist dagegen bereits seit einigen Jahren etabliert. Bauteile, die mit diesem Verfahren produziert sind, erreichen durch den Erhalt von langen oder Endlosfaser oder in Kombination mit Gewebeeinlagen hervorragende mechanische Eigenschaften.“

An der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule Aachen werden daher unter Beteiligung des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV), des Instituts für Textiltechnik (ITA) und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) neue großserientaugliche Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkte Kunststoffe erforscht. Ziel ist auch hier die automatisierte Fertigung von Hochleistungsbauteilen mit einem Faservolumengehalt von über 50 Prozent in Zykluszeiten unter 10 Minuten.

Forscher vom ITC (Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie, Pfinztal) haben für die Automobilanwendungen ein neues Herstellungsverfahren entwickelt und dabei eine Flechtmaschine, die üblicherweise im Textilbereich verwendet wird, mit einer weiterentwickelten Pultrusionsanlage kombiniert. Die Flechtmaschine bringt die trockenen Carbonfasern in die richtige Form, die Pultrusionsmaschine ummantelt sie mit Harz. Das Besondere: Während bisher alles per Hand erledigt werden musste – Fasern in das Werkzeug legen, ausrichten, Harz einspritzen – laufen nun alle Schritte vollautomatisch ab. Bei der Handarbeit konnten die einzelnen Bauteile nur Schritt für Schritt in einer bestimmten Länge gefertigt werden. Die Kombinationsanlage dagegen fertigt die Bauteile kontinuierlich, rein theoretisch also unendlich lang.

Die BASF, Ludwigshafen, untersuchte mit seinem bereichs- und materialübergreifenden Lightweight Composite-Team das Potenzial der drei Kunststoffmatrix-Systeme Epoxidharz, PUR und Polyamid bezüglich einer großserienfähigen Endlosfaserverstärkung für Harzinjektionsverfahren, speziell für das Resin Transfer Molding (RTM). So bietet man bereits unter den Marken Baxxodur und Elastolit R Lösungen auf Basis von Epoxidharz- und PUR-Systemen an. Beide Duromere verfügen über Härtungsmechanismen, die sich innerhalb von wenigen Minuten vernetzen. Sie können auf gängigen Hoch- und Niederdruck-Anlagen verarbeitet werden. Neue Polyamid-Systeme, die sich zurzeit in der Entwicklung befinden, gehen vom sehr niedrigviskosen Caprolactam, einer Vorstufe des PA 6, und weiterentwickelten Aktivator- oder Katalysatorsystemen aus. Diese thermoplastischen Verbundwerkstoffe lassen sich dann auch umformen, rezyklieren und schweißen. Zu den möglichen Anwendungen gehören neben Anbauteilen wie Türen, Heckklappen und Dachmodulen auch hochbelastete Strukturbauteile des Fahrzeugs.

Kommen künftig anstelle der Duroplaste durch Wärme verflüssigbare Thermoplaste zum Einsatz, sinkt die Zykluszeit zur Herstellung eines Teiles auf eine bis zwei Minuten. Deshalb greifen Hersteller von Flugzeugen und Automobilen auch gerne nach Strukturteilen auf thermoplastischer Matrix. Professor Dr.-Ing. Axel S. Herrmann vom CFK-Valley Stade e.V. und Leiter des Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE), ist davon überzeugt, dass an faserverstärkten Thermoplast-Bauteilen kein Weg vorbeiführt. Vor allem, wenn Konstrukteure künftig nicht nur an die geringe Dichte und das damit verbundene geringe Gewicht bei gleichzeitig hoher mechanischer, chemischer und thermischer Beständigkeit denken, werde das Thema richtig spannend. Er berichtet von anisotropen Strukturen, bei denen Bauteile unter Zugbelastung nicht nur länger werden, sondern auch eine definierbare Drehung ausführen. Mit solchen Strukturen lassen sich zum Beispiel Hubschrauber-Rotorblätter herstellen, die analog zur Rotordrehzahl ohne mechanische Stellglieder ihren Anstellwinkel verändern.

Dass faserverstärkte Thermoplaste die Produktionsprozesse erheblich verändern, wird an vielen Stellen sichtbar: Zum Beispiel Organobleche und Organofolien aus Thermoplaste, die im Automobilwerk oder bei einem Zulieferer weiterverarbeitet werden können. So berichtet Martin Würtele von Krauss Maffei, dass solche Vorprodukte auch in Spritzgießwerkzeugen dreidimensional umgeformt und zugleich veredelt werden können. Das Organoblech wird dazu plan angeliefert, vorgewärmt und beim Schließen der Kavität tiefgezogen. Gleich darauf wird mit der Plastifizierschnecke Schmelze eines identischen Thermoplasts unter hohem Druck eingespritzt. Innerhalb weniger Sekunden verschmelzen das Organoblech und das verflüssigte Granulat zu einer homogenen Struktur. So lassen sich mit einem Schuss zusätzlich Verstärkungsrippen, Werkzeughalter, ein EMV-geschirmtes Steuerungsgehäuse oder mithilfe des Gasinnendruckverfahrens (GID) sogar Medienleitungen anfügen.

Auch Maschinenhersteller haben Leichtbau im Blick

Natürlich haben auch die Maschinen-Hersteller den Automobilen Leichtbau im Fokus. So bietet Krauss Maffei Technologies, München, für großflächige Bauteile in Nutzfahrzeugen und Landmaschinen das Know-how für das LFI-Verfahren (Long Fiber Injection) mit In-Mold-Painting, das aufgrund der hochwertigen Oberfläche und der moderaten Anlagekosten zum Einsatz kommt. Zudem hat das Unternehmen ein Modular-Konzept entwickelt, das die Herstellung eines Pkw-Bauteils aus CFK im HD-RTM-Verfahren (Hochdruck – Resign Transfer Molding) mit allen Arbeitsschritten über die gesamte Prozesskette abbildet.

Bei Dieffenbacher hat man ein Preform-Center zum vollautomatisierten Herstellen von 3D-Preformen aus Kohlefasern entwickelt. Damit sind kurze Zykluszeiten bei der Preform-Herstellung realisierbar. Von der Zuführung des textilen Halbzeugs aus Kohlefaser über den präzisen Zuschnitt und den Binderauftrag bis zur Bereitstellung der trockenen, formstabilen 3D-Preform verläuft der gesamte Prozess vollautomatisiert und mit prozesssicherer Handhabungstechnik. Das australische Unternehmen Quickstep hat zwei Verfahren entwickelt: Das Quickstep-Verfahren, eine schnelle, energieeffiziente Aushärtetechnologie und das RST-Verfahren, das vollautomatisiert Fasern und Kunststoff miteinander verbindet. Um die Vorteile beider Verfahren zu verbinden und eine hoch effiziente Fertigungskette zu erhalten, hat man nun beide Verfahren gekoppelt. Die so gestaltete Prozesskette hat gegenüber dem Autoklaven den Vorteil, dass hier die Materialien günstiger sind, der Automatisierungsgrad wesentlich höher ist und die Prozesszeit erheblich reduziert werden kann.

Im Vergleich zum RTM-Verfahren können im Verfahren einseitige, dünnwandige Formwerkzeuge eingesetzt werden, was erhebliche Kosteneinsparungen ermöglicht. Schuler SMG sieht das die eigentlichen Prozesszeiten im chemischen Sinne der Materialaushärtung beim Hochdruck-RTM-Verfahren mit 4 bis 8 Minuten schon stark ausgereizt sind. So lassen sich nur Einsparungen durch bauteilspezifische Alternativverfahren wie zum Beispiel das Nasspressen ermöglichen. Der Hauptvorteil des Hochdruck-RTM-Pressverfahrens von Schuler ist die gegenüber manuellen RTM-Verfahren erheblich kürzere Zykluszeit, sowie eine gleichmäßige, wiederholbare hohe Bauteilqualität in Bezug auf Voids, Faserbenetzung und hohe Oberflächengüte. Durch Vakuumisierung, eine schnelle Harz-Injektion, hohe Harzdrücke und temperierte Werkzeuge kann gegenüber anderen RTM-Verfahren ein chemisch agressiveres Härteverhalten angewendet werden, bei dem quasi das Gelieren noch mit der Benetzung der letzten Faser einsetzt.

Entwicklungskooperationen und spürbare Investitionsbereitschaft

Aktuell ist eine deutliche Investitionsbereitschaft spürbar. So investieren OEMs in die Entwicklung und Produktion von ersten CFK-Anwendungen oder bilden Entwicklungspartnerschaften. Bereits 2011 unterzeichneten Audi und Voith eine Absichtserklärung über eine Entwicklungs-Partnerschaft, dessen Ziel die Industrialisierung von faserverstärkten Werkstoffen, insbesondere durch die Entwicklung einer hochautomatisierten Prozesskette, für die automobile Großserienproduktion ist. Aktuell haben die Automobilhersteller BMW Group und Toyota Motor Corporation (TMC) im Januar 2013 einen Vertrag zur gemeinsamen Forschung und Entwicklung von Leichtbau-Technologien unterzeichnet.

Die Automobilhersteller wollen gemeinsam Leichtbau-Technologien für den Karosseriebau unter Verwendung neuester Materialien, wie beispielsweise Verbundwerkstoffe, entwickeln. Auch Tencate Advanced Composites, Niederlande, und BASF sind eine strategische Allianz eingegangen und wollen gemeinsam thermoplastische Verbundwerkstoffe für die automobile Großserienproduktion entwickeln.

„Der nächste große Sprung im automobilen Leichtbau wird durch thermoplastische, endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe möglich“, erläuterte Melanie Maas-Brunner, Leiterin der Geschäftseinheit Engineering Plastics Europe der BASF und Nachfolgerin von Willy Hoven-Nievelstein. Zudem hat die BASF eine Partnerschaft mit der SGL Group, Wiesbaden, um ein Composite-Material zu entwickeln, welches auf einem reaktiven Polyamidsystem und dafür geeigneten Carbonfasern basiert und der kosteneffizienten Herstellung von thermoplastischen Carbonfaser-Verbundwerkstoffen dient.

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Harald Wollstadt ist Chefredakteur Plastverarbeiter. harald.wollstadt@huethig.de