Die Materialfamilie Tepex bewährt sich bereits im Automobilbau, in der IT-Technologie und in Sport- und Elektronikanwendungen. Stärken des Verbundwerkstoffs sind seine hohe Steifigkeit und extreme Festigkeit bei sehr geringem Gewicht. „Unser Hochleistungsverbundwerkstoff hat daher besonders in der Großserienfertigung von Leichtbauteilen für verbrauchs- und emissionsarme Automobile große Chancen. Er lässt sich wirtschaftlich in kurzen Zykluszeiten mit sehr reproduzierbaren Prozessen zu dreidimensionalen Bauteilen verarbeiten.

Das ist der entscheidende Unterschied zu anderen, mehrheitlich duroplastischen Faserverbundwerkstoffen mit endlosen Fasern“, erklärt Dr. Christian Obermann, Geschäftsführer bei Bond-Laminates, Brilon. Und Dr. Michael Zobel, Leiter der Business Unit High Performance Materials, Lanxess, ergänzt: „Während sich die mehrheitlich duroplastischen Faserverbundwerkstoffe in der Regel nur für allenfalls mittlere Stückzahlen von 10.000 bis 40.000 Teilen pro Jahr eignen, können mit Tepex Großserien mit weit über eine Million Bauteile wirtschaftlich gefertigt werden. Das ist ein Quantensprung. Zum Beispiel stellt der kanadische Smartphone-Hersteller Rim für eines seiner neuen Blackberry-Modelle derzeit pro Monat über eine Million Akkugehäuse aus einem speziellen glasfaserverstärkten Tepex her.“

Beispiele aus der Verabeitung in Serienfertigung

Der Werkstoff hat schon oft bewiesen, dass es sich für die Serienproduktion von Automobilteilen sehr gut eignet. Zum Beispiel wird mit ihm in Hybridbauweise eine Sitzschale für das Sportcoupé eines deutschen Automobilherstellers gefertigt. Auch im Untergurt des Hybridfrontends vom Audi A8 bewährt es sich. Kurz vor dem Serienstart befinden sich in Hybridtechnik konstruierte Bremspedale und Airbaggehäuse. Dazu erläutert Zobel: „Gemeinsam mit der ZF Friedrichshafen und anderen Partnern haben wir das weltweit erste mit Endlosglasfasern verstärkte und für die Fertigung in Großserie ausgelegte Pkw-Bremspedal aus Polyamid entwickelt. Es wird aus einer Variante von Tepex und einem Polyamid 6 Durethan in Hybridtechnik gefertigt und ist um rund 50 Prozent leichter als vergleichbare herkömmliche Bremspedale aus Stahl, aber dennoch mechanisch genauso belastbar.

Lohn der Entwicklungs-abeit: Ende diesen Jahres wird das Bremspedal erstmals mit dieser Technologie in Premium-Fahrzeugen in Serie zum Einsatz kommen. Das ist umso mehr ein Erfolg, als Vollkunststoff-Bremspedale als Sicherheitsbauteile wegen der extrem hohen Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit noch vor wenigen Jahren als ein Ding der Unmöglichkeit galten.“ Und Obermann fügt hinzu: „Die Hybridtechnik mit Tepex hat als wirtschaftliche Alternative zu carbonfaserverstärkten Duroplast-Verbunden großes Potenzial. Denn die thermoplastische Matrix bietet deutliche Vorteile etwa in puncto Gestaltungsfreiheit, Umform-, Schweiß- und Umspritzbarkeit sowie Lagerfähigkeit und Recycling.“ Über Automobilteile hinaus kommt der Verbundwerkstoff auch in der Herstellung von Sohlen für Sportschuhe, Bremshebeln und Pedalen für Rennräder, Rahmen für Rucksäcke, Snowboard- und Fahrradhelmen sowie Batteriegehäusen für Smartphones zum Einsatz.

In strukturellen Anwendungen dient vorwiegend Polyamid als Matrix, daneben kommen auch weitere Thermoplaste wie Polypropylen, thermoplastisches Polyurethan und Polyphenylensulfid zum Einsatz. Die in die Matrix eingebetteten Endlosfasern sind Gewebe etwa aus hochfesten Glas-, Aramid- oder Carbonfasern. Sie bestimmen maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des Verbundes. „Die Faserlänge entspricht in der Regel der Bauteillänge, was dem Bauteil in Faserrichtung eine sehr hohe Steifigkeit und Festigkeit verleiht“, so Obermann. Zurzeit werden hauptsächlich balancierte oder kettstarke Gewebe als Verstärkung eingesetzt. Sie unterscheiden sich dadurch, wie die Fasern in Kett- und Schussrichtung aufgeteilt sind, beziehungsweise ob die Fasern gleichmäßig verteilt oder unidirektional ausgerichtet sind. Aktuell werden darüber hinaus Varianten entwickelt, die auf alternativen textilen Halbzeugen basieren und eine belastungsgerechtere Auslegung der Bauteile ermöglichen.

In der Herstellung vollständig imprägniert und konsolidiert

Lange Zeit war es wegen der hohen Viskositäten der Thermoplastschmelzen ein großes Problem, die Fasern der textilen Halbzeuge mit Schmelze zu tränken. Diese Hürde hat der Hersteller bei seinem speziellen Pressverfahren überwunden. „Wir können heute auch große Verbundhalbzeuge vollständig imprägniert und konsolidiert in extrem konstanter Produktqualität großserientechnisch herstellen und kundenspezifisch optimieren“, sagt Obermann.

Fester als Stahl- oder Aluminiumblech

Tepex hat eine Dichte von nur 1,4 – 1,8 kg/dm3. Es ist daher in vielen Anwendungen eine deutlich leichtere Alternative zu Stahl- oder Aluminiumblech, deren Dichte bei 7,8 oder
2,7 kg/dm3 liegt. Es kann dabei deutlich fester sein als Metallbleche. So beträgt die „gewichtsbereinigte“ spezifische Festigkeit einer mit 47 Prozent Endlosglasfasern verstärkten Polyamid 6-Variante 225 MPa/g/cm3, während Stahl oder Aluminium Werte um
50 oder 120 MPa/g/cm3 erreichen. Die spezifische Steifigkeit ist zwar etwas geringer, doch kann dies durch intelligenten konstruktiven Leichtbau weitgehend kompensiert werden.

Zum Beispiel brauchen hinterspritzte Verbunde auf Basis von Polyamid 6 den Vergleich mit der Kunststoff-Metall-Verbundtechnologie auf Basis von Stahlblech und Polyamid 6 nicht zu scheuen. Die Verbunde sind fast genauso steif, zeigen aber eine doppelt so hohe Festigkeit und Energieaufnahme. „Im Torsionsversuch erreichen unsere Verbunde sogar eine um rund 50 Prozent höhere Steifigkeit und etwa 65 Prozent höhere Festigkeit, weil die stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kunststoffen besonders zum Tragen kommt“, so Obermann. Entsprechende Bauteile nehmen außerdem beim Versagen unabhängig von der Belastungsart deutlich mehr Energie auf. Die Technologie verspricht daher zahlreiche weitere, darunter auch sicherheitsrelevante Anwendungsmöglichkeiten.

 

„Eingesetzt anstelle von Metallblech wird es auch das Leichtbaupotenzial der Hybridtechnik noch einmal spürbar verbessern.“

Dr. Michael Zobel, Leiter der Business Unit High Performance Materials, Lanxess

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Über den Autor

Dr. Etwina Gandert ist Redakteurin bei Plastverarbeiter, etwina.gandert@huethig.de