Die Composites Europe bündelte Mitte September unterschiedliche Branchen unter einen Trend: dem Leichtbau. Allen voran die klassischen Kandi-daten wie Automobilbau und Luftfahrt, aber auch die Windenergie. Zunehmend interessant wird die Disziplin der gewichtsreduzierten Materialien und Bauteile auch für die Baubranche: vom Carbon-Beton über Bodenbeläge und Fassadenelemente bis zu Dachpanels – die Bauwirtschaft setzt auf Verbundwerkstoffe. Die Produktionsmenge an FVK für den Bau wächst seit Jahren kontinuierlich und wird weiter zunehmen.

Bauwerke werden leichter

Dow Chemical beispielsweise stellte die Voraforce PUR-Systeme vor, die Fenster- und andere Bauprofile sowie Anwendungen in der Elektro-Infrastruktur vorgesehen sind. Mit Affan Innovative Structures L.L.C. setzt eines der führenden Bauunternehmen der Vereinigten Arabischen Emirate auf diesen Werkstoff und nutzt ihn bei Prestigeobjekten wie dem Sidra Hospital in Katar und dem ultramodernen Einkaufszentrum Yas Mall in Abu Dhabi. Tests mit dem Matrixmaterial zeigen verbesserte Festigkeit und Fasertränkung, kurze Reaktionszeit und geringe Emission bei gleichzeitig höherer Pultrusions-Geschwindigkeit, was eine signifikante Kostenersparnis in der Produktion bewirken soll.

Ein weiteres Beispiel ist der Haramain High Speed Railway. An allen vier Stationen werden auf Stahlkon-struktionen bis zu 9 m breite Dach-Panele aus FVK installiert – insgesamt werden 160.000  m2 Fläche mit Composites überdacht. Aufgrund des modularen Designs gibt es eine hohe Zahl an Gleichteilen, sodass die Formen kostensparend wiederverwendet werden können. An der Entwicklung maßgeblich beteiligt waren Gurit und Premier Composite Technologies. Zum Einsatz kommen mit Ampreg 21FR ein feuerfestes Epoxidharz-Laminat-System, Spabond 340LV Strukturkleber sowie ebenfalls feuerfestes G-PET 75FR und G-PET Lite als Schaumkern mit geschlossener Zellstruktur.

Der Aussteller Büfa, realisiert im Niederländischen Zwolle gemeinsam mit DSM und NPSP eine Composites-Konstruktion für das energieneutrale Gebäude das Netzbetreibers Enexis. Die spezielle Form der Leichtbau-Panele an der Fassade reflektiert das Sonnenlicht und kühlt das Gebäude im Sommer. Im Winter dagegen wird die Wärme gespeichert. Die Panele werden per Vakuuminfusion auf Basis von Synolite 1967 von DSM mit einem Kern aus PUR-Schaum hergestellt, die Brandschutzbarriere bilden 6815-N-3-Harz und S272-SV-Gelcoat.

Faserverbundkunststoffe in der Luftfahrt

Nach Airbus-Angaben bestehen beim A350 XWB der Rumpf komplett und das gesamte Flugzeug zu 53 Prozent aus CFK. Beim A380, dem Giganten der Lüfte, beträgt ihr Anteil immerhin 28 Prozent. Das zweite moderne Großflugzeug, der Dreamliner 787 von Boeing, besteht ebenfalls zur Hälfte aus diesen Strukturen. Die Zahlen illustrieren eindrucksvoll: Composites sind beim Flugzeugbau nicht mehr wegzudenken. Daher wurde auch in diesem Jahr der Luftfahrt auf der Messe ein hoher Stellenwert eingeräumt. Einer der Rohstoffanbieter, Rampf Tooling, Hersteller von Flüssig-, Pasten-, Close Contour- und Blockmaterialien für den Formen- und Modellbau, hat zahlreiche Produkte und Lösungen für den Leichtbau mit dem Schwerpunkt Luftfahrt entwickelt.

Ein Beispiel ist das Material Raku-Tool CC-6503, das bei der Herstellung eines Flugzeug-Schalldämpfers zum Einsatz kommt. Die fugenlose Oberfläche dieses Close-Contour-Casting-Produkts ist speziell für die Herstellung von Legewerkzeugen geeignet. Die CCC-Materialien werden als dreidimensionale Gießlinge bereits nahe an der Endkontur vergossen und fräsbereit geliefert. Die Formen- und Werkzeugmaterialien zeichnen sich durch eine sehr gute Fräsbarkeit, den Wegfall der Handhabung von Flüssigchemikalien sowie eine gute Dimensions-Stabilität aus. Aufgrund der konturnahen Form entsteht weniger Abfall und die Endkontur kann schneller gefräst werden.

Evonik Industries hat das Projekthaus Composites gestartet, in dem neue Materialien und Systemlösungen für den Leichtbau entwickelt werden, die auch auf Anwendungen in der Luftfahrt zielen. Schon jetzt bedient das Unternehmen gezielt Anwendungen in der Leichtbauindustrie. Beispiele sind Rohacell etwa als Strukturschaum in Faserverbundbauteilen sowie Vestamin als Härter-Komponente duroplastischer Matrix-Systeme und Vestakeep als Matrix für thermoplastische Composites.

Zur Strukturüberwachung von Flugzeugteilen aus Kunststoff können unterschiedliche Sensorsysteme eingesetzt werden. Die Experten des Fraunhofer LBF haben große Faserverbundbauteile mit Zweikanal-Lichtleitern zur Lastüberwachung und Piezokeramik-Sensoren beziehungsweise Aktoren zur Überwachung der strukturellen Inte-grität mithilfe von akustischen Methoden ausgestattet. Eine miniaturisierte Hardware dient der Datenüberwachung. Dabei ist es erstmals gelungen, die komplette Entwicklungskette von der Idee bis zum Test mit einer Last von 20 Tonnen zu schließen.

Für mehr CFK-Teile fehlen die Kapazitäten

Mit Verbundwerkstoffen können im Automobilbau merkliche Gewichtreduzierungen realisiert werden – aktuelles Beispiel der BMW i3. Dazu sind jedoch eine großserientaugliche Produktion von Composites-Bauteilen und die damit einhergehende Automatisierung bei der Herstellung zwingend erforderlich. Die Fachmesse hatte dabei die Innovationen aus CFK und GFK im Blick. Derzeit ist allerdings der Anteil von CFK im Automobilbau mit sechs Prozent relativ niedrig. Und selbst wenn der Anteil in den kommenden Jahren rapide steigt, es wäre immer noch ein Nischendasein. Eine jährliche Produktionsmenge von 110.000 Tonnen CFK im Jahr 2020 halten Experten für möglich.

Zum Vergleich: Der weltweite Stahlverbrauch liegt derzeit bei 1,4 Milliarden Tonnen pro Jahr. Neben schnelleren Zykluszeiten und größeren Stückzahlen müssten für eine wirtschaftliche Großserienproduktion von Kohlefaser-Composites also auch die benötigten Kapazitäten geschaffen werden – sowohl hinsichtlich der Fertigungsanlagen als auch mit Blick auf die Grundstoffe.

Neben CFK rücken GFK und PUR ins Blickfeld

Die Messe hatte jedoch auch die Innovationen aus GFK im Blick. Zudem rücken Polyurethane (PUR) als interessante Alternative zu klassischen Epoxidlösungen zunehmend in den Fokus des Interesses, denn sie eröffnen neue Möglichkeiten für eine wirtschaftliche Serienfertigung. So hatte der Aussteller Frimo in einer Kooperation mit Huntsman Polyurethanes kürzlich am Beispiel der Bodenplatte für den Audi R8 die Möglichkeiten und Potenziale einer Fertigung von Strukturbauteilen mit einem Composites-Werkstoff auf Basis von PUR vorgestellt. Dabei ermöglicht das Vitrox-System von Huntsman flexible Werkzeug- und Anlagenlösungen, die mit wesentlich geringeren Drücken arbeiten können, als bei herkömmlichen Verfahren.

Dass Frimo eine Vorreiterrolle beim Einsatz von Composites für die Automobilindustrie einnimmt, beweist auch die Auszeichnung mit dem Automotive Division Award 2012 der SPE Central Europe für das Projekt F30 des 3er BMW in Zusammenarbeit mit Johnson Controls und Wiesmayer. Die Ehrung erfolgte für den Einsatz von Naturfasertechnologie, die ein geringeres Bauteilgewicht und in diesem Fall auch schnellere Durchlaufzeiten und eine Reduzierung der CO2-Emissionen ermöglicht. Frimo lieferte hier eine komplette vollautomatisierte Trägerteil-Presslinie inklusive Beschnitt für den Träger aus Naturfasern mit duroplastischer Matrix. In einer Taktzeit von 47 s wird der komplette Träger durch die Anlage gefahren. Dabei wird die Rohmatte einem Drehtischmagazin entnommen, mit einem Beschickungsroboter ausgerichtet und in aufwendigen Heißpresswerkzeugen mit einer Gesamttoleranz von unter 0,1 mm verpresst.

Das materialübergreifende Lightweight Composite-Team der BASF untersucht verschiedene Verbundwerkstoffkonzepte für den Automobilbau. Basis sind die Kunststoffmatrix-Systeme Epoxidharz, PUR und PA, ihre Verstärkung mit Endlosfasern sowie ihre großserienmäßige Verarbeitung in Harzinjektionsverfahren, speziell im RTM. Ein Ergebnis ist das neue Epoxidharz Baxxodur System 2220, das speziell für Hochdruck-RTM entwickelt wurde. Bei PUR kommt an einem Spoiler mit RTM-Insert das neue Elastolit R 8800 zum Einsatz. Beide Harzsysteme haben ein breites Verarbeitungsfenster. Zusammen mit der EDAG wurde ein Cabriolet-Dachmodul – herstellbar im RTM-Verfahren – entwickelt. Das Sandwichbauteil besteht aus einem PUR-Schaumstoffkern zwischen zwei CFK-Deckschichten. Es ist mit 2,9 kg um 40 Prozent leichter als in Aluminium- und 60 Prozent leichter als in Stahl-Bauweise.

Ein bereits Anfang des Jahres von der SGL Group vorgestellter carbonfaserverstärkter Graphitwerkstoff verspricht ebenfalls interessante Perspektiven für die Automobilindustrie. Es handelt sich um einen hochfesten Verbundwerkstoff, der aus einer Graphitmatrix und CFK besteht. Er weist eine um 20 Prozent höhere Steifigkeit auf und lässt sich zu filigraneren Strukturen verarbeiten als andere marktgängige CFC-Materialien.

Krauss Maffei zeigte eine seriennahe Produktionszelle für CFK-Bauteile, bei der lackierfähige Faserverbundbauteile mit PUR-Matrix und hochwertiger Oberfläche direkt aus dem Werkzeug kommen. Die 0,6 m2 großen Dachschalen werden beim Roding Roadster Targa eingesetzt. „Auf diese Weise wird die nachfolgende Lackierung wesentlich vereinfacht, da Zwischenprozesse wie Primern oder das Vorlackieren entfallen“, so Nicolas Beyl, Leiter der Reaktionstechnik bei Krauss Maffei. Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen präsentierte eine neuartige Spaltimprägnieranlage. Mit der Anlage, die in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Breyer, Singen, und Hille Engineering, Roetgen, entwickelt wurde, lässt sich eine Fahrzeug-Motorhaube aus CFK in Integralbauweise innerhalb von nur 15 min automatisiert herstellen.

Das Werkzeug besteht aus einem Werkzeug-rahmen und zwei Werkzeughälften mit integrierter Sensortechnik für die Prozess- und Qualitätssicherung. Die kombinierten Fixier- und Auswerfereinheiten ermöglichen eine beidseitige simultane Imprägnierung des Preforms, und gestatten es in einem Prozess-schritt komplexe Sandwichbauteile herzustellen.

Sinnvolle Begleitung

Die Messe Hybrid Expo fand parallel zur Composites Europe statt und bildete die gesamte Prozesskette rund um die serielle Fertigung von hybriden Bauteilen ab – von der Materialforschung über Fertigungs- und Verarbeitungsverfahren, Maschinen, Anlagen und Werkzeuge bis zum fertigen Bauteil. Vor allem die Prozessbeschleunigung bei der Herstellung von Metall-Kunststoff-Verbindungen stand im besonderen Fokus. Der Kunststoff-Spritzguss, aber auch der Keramik-Spritzguss, die Stanztechnik und innovative Füge-Technologien spielten dabei eine zentrale Rolle.

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Über den Autor

Christine Koblmiller ist Redakteurin des Plastverarbeiter. christine.koblmiller@huethig.de