In der Automobilindustrie finden Gewichtsoptimierungen auf allen Ebenen statt. Im Karosseriebau sind Aluminium, Magnesium und warm umgeformter Stahl genauso im Fokus wie der Metallersatz durch Kunststoffe. Seit vielen Jahren werden duroplastische Faserverbund-Werkstoffe, die Glas- oder Kohlefasern enthalten, eingesetzt. Vernetzte ungesättigte Polyesterharze sind ebenso wie Epoxide als Matrixmaterial etabliert. Die Materialkombination Duroplast / Kohlefaser hat spätestens mit der Boeing 787, dem sogenannten Dreamliner, und dem Airbus A 350 Einzug in die industrielle Fertigung gefunden. Wegen ihres geringen Gewichtes und ihrer hohen Festigkeit werden bevorzugt Kohlefasern eingesetzt. Dass sich Kohlefasern trotz der hohen Kosten und der problematischen Verarbeitung am Markt durchsetzen konnten, sagt viel über ihr Leistungsvermögen aus.

Orientierung ist wichtig

Kohlefasern besitzen sehr hohe Festigkeiten in Faserrichtung. Quer zur Faserrichtung ist die Festigkeit gering. Die Beibehaltung der Orientierung im fertigen Bauteil ist deshalb von grosser Bedeutung. Jede Verschiebung beim Handling von Gelegen oder Geweben oder der Injektion des Harzes führt deshalb zu markanten Festigkeitsverlusten. Da die Haftung zwischen den einzelnen Kohlefaser-Filamenten praktisch null ist, ist die Neigung zum Verschieben der Filamente sehr hoch. Um dies zu verhindern, werden Gelege oder Gewebe meist durch Vernähen mit Polyester-Garnen stabilisiert. Nachteile dabei sind, dass durch das Nähen die Kohlefaser-Filamente teilweise gekröpft werden und das Polyestergarn im fertigen Bauteil eine Störstelle darstellt.

EMS-Griltech, ein Unternehmensbereich der EMS-Chemie, unter dem Namen Griltex CE Produkte entwickelt, die die Stabilisierung von Kohlefaser-Gelegen oder Geweben ohne Nachteile ermöglichen und zusätzlich weitere Vorteile bieten. Dabei handelt es sich um Thermoplaste mit Schmelzpunkten von etwa 100°C, die als Granulat und Pulver erhältlich sind. Pulver werden nach dem Streuverfahren appliziert. Granulate werden entweder aus der Schmelze aufgesprüht oder nach Verarbeitung zu Vliesen als Klebevlies auf UD-Tapes oder Flächengebilde aufgebracht.

Nach der Aktivierung bei 120-130°C sind die Substrate schiebefest und das Ausfransen beim Zuschnitt wird unterbunden. Mehrlagige Preforms können ohne zusätzliche Kleber oder Binder hergestellt werden, da das Thermoplast diese Funktion mit übernimmt. Ob ein- oder viellagig, flach oder vorgeformt – die fixierten Filamente sind so stabil, dass auch die Fliessfront des Harzes beim RTM-Prozess sie nicht mehr aus ihrer vorgegebenen Lage bringt.

Herkömmliche Binder, die zur Stabilisierung von Karbonfasern eingesetzt werden, wirken im fertigen Bauteil wie ein Fremdkörper und reduzieren die Haftung zwischen Matrix und Kohlefaser. Dieser unerwünschte Effekt beeinträchtigt die Festigkeit des Bauteils. Dank der speziellen patentierten Formulierung von Griltex CE werden die mechanischen Eigenschaften wie Compression After Impact (CAI) um bis zu 60% und Interlaminar Shear Strength (ILSS) um bis zu 30% verbessert. Dadurch kann die Wandstärke verringert werden, was die Herstellung von leichteren Bauteilen ermöglicht.

Nach dem Aufprall des Schlagkopfes im Fallturm zeigen CAI-Prüfkörper mit und ohne das Additiv im Ultraschallbild deutliche Unterschiede. Die zerstörte Fläche (im Ultraschallbild blau) ist beim Prüfkörper mit Griltex CE wesentlich kleiner.
Duroplaste als Matrixmaterial haben den Nachteil der langen Prozesszeit. Niedrige Durchsätze sind bei Produkten mit geringen Stückzahlen tragbar, bedeuten im Grossserien-Automobilbau aber das Aus.

Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix

Um kurze Produktionszyklen zu erreichen, sind thermoplastische Matrices die Lösung. Anforderungen, um Duroplaste im Automobilbau ersetzen zu können, sind Temperaturbeständigkeit, ein geringes Kriechverhalten, niedrige Wasseraufnahme sowie niedriger Kristallisationsschrumpf. Eine besonders hohe Hürde stellt der Kathodische Tauchlackierungsprozess (KTL-Prozess) dar. Bei diesem Verfahren wird die Korrosionsschutzbeschichtung bei 180-200°C während 20-30 Minuten getrocknet. Alle Bestandteile der Karosserie inklusive der Faserverbundwerkstoffe müssen den KTL-Ofen ohne Kriechen, Verformungen oder Dimensionsänderung überstehen. Temperaturbeständige Kombinationen wie Kohlefaser/PEEK sind im Flugzeugbau etabliert, aber für Grossserien im Automobilbau zu teuer.

Mit Griltex CT lassen sich die Anforderungen der Automobilindustrie an Temperaturbeständigkeit, Wasseraufnahme, Dimensionsstabilität, rationelle Fertigung und Preis-/Leistungsverhältnis erfüllen. Thermoplastische Verbundwerkstoffe, sogenannte Organobleche, können als Plattenware im Stück- oder Endlosprozess gefertigt und beliebig lange gelagert werden. Zur Weiterverarbeitung werden sie erwärmt und anschliessend verformt. Gegenüber den Duroplasten reduzieren sich die Produktionskosten und die Taktzeit auf 1-2 Minuten. Durch ihre besonderen Produkteigenschaften ist der KTL-Prozess kein Hindernis mehr.

 

Fakuma 2014: Halle/Stand B02/2113

Autor

Über den Autor

Dr. Ralf Hoppe ist Leiter Forschung & Entwicklung bei EMS-Chemie, Unternehmensbereich EMS-Griltech, in Domat/Ems, Schweiz.