Trend geht zum hybriden Leichtbau

Mit steigenden Anforderungen an die Reduktion von CO2-Emissionen im Automobilbau, der neuen Herausforderung Elektromobilität und dem Bestreben auch bei Transport und Logistik jedes überflüssige Kilogramm einzusparen, ist es notwendig den Leichtbau in eine neue Dimension zu bringen, nämlich der Massenproduktion.

Über viele Jahre war Leichtbau die Paradedisziplin von Flugzeug- und Raumfahrttechnik, immer in Verbindung mit geringen Stückzahlen und viel Manufaktur. Aber auch unter dem Motto „Geld spielt keine Rolle“. Mit steigenden Anforderungen an die Reduktion von CO2-Emissionen im Automobilbau, der neuen Herausforderung Elektromobilität und dem Bestreben auch bei Transport und Logistik jedes überflüssige Kilogramm einzusparen, ist es notwendig den Leichtbau in eine neue Dimension zu bringen, nämlich der Massenproduktion. Nun gilt es, mit intelligenten Gesamtkonzepten aus Leichtbau-Werkstoffen, Bauteilgeometrie und Verfahrenstechnik Lösungen zu schaffen, die bei gleicher Leistung das Gewicht deutlich reduzieren und eine wirtschaftliche Fertigung in großen Stückzahlen ermöglichen. Kunststoffe sind für diese Herausforderung prädestiniert. Ihre geringe Dichte gepaart mit der Designfreiheit und Wirtschaftlichkeit des Spritzgussverfahrens ermöglicht das Herstellen von kostengünstigen Großserien mit Werkstoffen, die auf die konkreten Anforderungen der Bauteilfunktion maßgeschneidert sind. Der Geschäftsführer der Leichtbau BW, Stuttgart, Dr. Wolfgang Seeliger, unterstrich einmal die Bedeutung des Mehrwerts im Leichtbau durch Design, Prozesse und Simulation. Denn in der Produktentwicklung werden beispielsweise bereits 70 bis 80 Prozent des Gewichtes festgelegt und somit auch des Material- und Ressourcenverbrauches. „Die Prozesse müssen künftig viel stärker zusammenrücken“, betonte er. „Dann ergeben sich auch für kleine und mittlere Unternehmen die Möglichkeit, ihre Wertschöpfungstiefe zu vergrößern und damit eine höhere Wettbewerbsfähigkeit zu erzielen.“

Multi-Material-Leichtbau immer wichtiger

Nach Auffassung von Experten wird der Multi-Material-Leichtbau künftig immer wichtiger. Am Beispiel der Endlosfaser-Tapes erkennt man, dass innovative Leichtbau-Lösungen mehr erfordern, als einen Hochleistungskunststoff anstelle von Metall einzusetzen. Das Wissen um die Möglichkeiten, aber auch die Schwächen der Werkstoffe ist das eine, was aber besonderer Bedeutung bei kommt, ist der Verfahrenstechnik. Ob beim Einlegen von UD-Tapes oder Organo-Blechen in das Spritgusswerkzeug, beim Einsatz von Gas- oder Wasserinjektion zur Herstellung geschlossener Hohlkörper, um das Verhältnis zwischen Materialeinsatz und Biegesteifigkeit zu optimieren, oder bei der Auswahl des richtigen Schäumverfahrens zur Gewichtsreduktion oder in Kombination mit Sonderverfahren, wie dem Sandwich-Spritzguss. Es ist also deutlich mehr Know-How nötig, als für eine konventionelle Kunststoff-Konstruktion und -Verarbeitung. Um an die Grenzen der Leistungsfähigkeit der verfügbaren Werkstoffe gehen zu können, ist die Zusammenarbeit mit Experten auf dem Rohstoffsektor notwendig. Gleiches gilt für die Bauteil- und Verfahrensentwicklung. Deshalb ist gerade für KMU eine gute Vernetzung mit Experten aus den jeweiligen Fachbereichen entscheidend, wenn man komplexe Neuentwicklungen schnell in den Markt bringen will.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und die Vector Stiftung haben zum Beispiel die Young Investigator Group (YIG) „Green Mobility – Gewichtsoptimierte Fahrzeugstrukturen durch maßgeschneiderte Hochleistungs-Faserverbunde“ eingerichtet. Ziel ist es, die Simulierbarkeit von Hochleistungs-Faserverbundkunststoffen zu verbessern, um Fahrzeugbauteile aus diesen Werkstoffen gewichtsoptimiert auslegen zu können. „Fahrzeugstrukturen aus Hochleistungs-Faserverbundkunststoffen (HL-FVK) lassen sich nur dann gewichtsoptimiert auslegen, wenn die Tragfähigkeit ausreichend genau vorhergesagt wird, die Richtungsabhängigkeit der Fasern voll ausgenutzt wird und Fertigungseffekte richtig erkannt und berücksichtigt werden“, erklärt Luise Kärger, Leiterin der YIG am Lehrstuhl für Leichtbautechnologie (LBT) des KIT-Instituts für Fahrzeugsystemtechnik. „Zwischen dem realen, durch die Prozessführung maßgeblich beeinflussten Verhalten der HL-FVK und den idealisierten Annahmen der Modelle für die Struktursimulation besteht derzeit noch eine erhebliche Diskrepanz.“ Im Unterschied zu Metallen werden Steifigkeit und Festigkeit bei HL-FVK von der lokalen Faserarchitektur beeinflusst. Die endgültige Faserarchitektur der Bauteile entsteht erst bei der Drapierung, das heißt Umformung des zweidimensionalen Fasermaterials in eine dreidimensionale Struktur, also in Preforms. Deren Faserarchitektur kann ungleichmäßig aufgebaut sein, etwa durch Unterschiede in Ausrichtung und Dichtheit der Fasern sowie in Form und Aufbau der Faserbündel, aber auch durch lokale Effekte wie Überlappungen, Lücken und Faserwelligkeit. Um die Simulierbarkeit zu verbessern, arbeiten die Wissenschaftler an einer effizienten Drapiersimulation, welche die lokale Faserarchitektur der Preforms ausreichend genau vorhersagt. Zudem entwickeln sie geeignete strukturmechanische Modelle zur Beschreibung lokaler Drapiereffekte und erarbeiten eine effiziente Bauteilsimulation, die alle global relevanten Effekte berücksichtigt. Mithilfe der entwickelten Methoden leiten sie Vorgehensweisen zur Ermittlung der optimalen Drapierstrategie für gegebene Bauteilgeometrien her, um die geforderten Trageigenschaften der Bauteile einzuhalten und deren Gewicht zu minimieren.

Deutliche Fortschritte in der automatisierten Herstellung von Carbon-Bauteilen zeigt die Spitzencluster-Initiative MAI Carbon des Carbon Composites auf. Nach Aussagen des Projektleiter Tobias Loos ist man in der Lage den großtechnischen Einsatz einer neuen Carbon-Variante umzusetzen, nämlich mit thermoplastischer Matrix. Sie erfüllen die für die automobile Großserien-Produktion harten Randbedingungen wie Taktzeiten von unter drei Minuten, ein deutlich verringerter Ausschuss sowie reduzierte Kosten in der Fertigung. Die Projektpartner aus der Industrie versprechen sich so einen höheren Automatisierungsgrad der bislang überwiegend manuell unternommenen Prozesse sowie neue technische Ansätze etwa für das Fügen von Carbonteilen.

Auf dem Weg zur automatisierten Herstellung

Dabei geht es um nichts weniger als eine neue Technologie. Bislang wird der Verbundwerkstoff CFK überwiegend mit duroplastischen Kunststoffen hergestellt. Nach dem Aushärten ist der Verbundwerkstoff fix. Thermoplaste sind jedoch anders. Werden die Carbonfasern mit solchen Kunststoffen zum Hightech-Werkstoff veredelt, bleiben sie formbar, da hier die Kunststoffmatrix bei größerer Wärmezufuhr wieder weich wird. „Im Prinzip verhalten sich die Thermoplaste ähnlich wie Schokolade“, erklärt Loos. Beim Erhitzen wird der Rohstoff wieder weich und kann in eine neue Form gebracht werden. Für die Industriefertigung mit Carbon hieße das hingegen, dass vorbereitete Carbon-Tapes durch heiße Formwerkzeuge zu neuen, beliebigen Geometrien geformt werden können.

Die Aufgabenstellung im Projekt MAI Plast ist groß und lässt sich am besten am etwas sperrigen Arbeitstitel dieses Leitprojekts ablesen. Es geht um eine „kosteneffiziente Verarbeitungstechnologie zur automatisierten Prozessierung von thermoplastischen Hochleistungsverbundwerkstoffen für Großserienanwendungen“. Mit 18 Partnern – darunter Unternehmen wie Audi, BASF, BMW sowie Forschungseinrichtungen wie DLR, Universität Augsburg und TU München – ist das Projekt gut aufgestellt.

Auch an das Nachher denken

Am 01. Dezember 2014 startete das Verbundvorhaben Relei. Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung von Recycling-Strategien zur stofflichen Wiederverwertung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Denn vor dem Hintergrund der Ressourceneffizienz ist neben den Fertigungsprozessen auch die Berücksichtigung einer ganzheitlichen Recyclingstrategie von Bedeutung. Deshalb verfolgen die Projektpartner einen interdisziplinären Ansatz, bei dem das Recycling als zentraler Bezugspunkt aller Entwicklungsbestrebungen betrachtet wird.

Im Projektkonsortium arbeiten insgesamt 12 Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft; die Projektkoordination hat die Elring Klinger, Dettingen an der Erms. Das Vorhaben läuft im Rahmen des „Forschungs- und Technologiezentrums für ressourceneffiziente Leichtbaustrukturen der Elektromobilität“ (Forel) und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. „Dass wir die Koordination des Projekts verantworten, spricht für unser erarbeitetes Know-how im Bereich Leichtbau“, freut sich Karl Schmauder, Vorstandsmitglied der Elring Klinger. Das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden hat die Co-Konsortialführerschaft übernommen. Aufgabe des ILK ist die Entwicklung eines hocheffizienten Schäumform-Verfahrens, bei dem die Verarbeitung kohlenstofffaserverstärkter Deckschichten in das etablierte physikalische Schaum-Spritzgießen integriert wird. In Vergleichsstudien untersuchen die Wissenschaftler die Einsatzmöglichkeiten von wiederaufbereiteten Werkstoffen mit minimierter Werkstoffdegradation in dem neuentwickelten Fertigungsverfahren. „Relei verfolgt einen neuen Ansatz zur stofflichen Wiederverwertung von Kohlenstofffasern in einem produktiven Integralschäum-Verfahren und ergänzt damit in idealer Weise die Forschungsarbeiten von Forel hinsichtlich der Entwicklung ressourceneffizienter Prozesse und Bauteile für zukünftige Elektrofahrzeuge“, erklärt Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude, Vorstandsmitglied des ILK.

Bei der Suche nach Leichtbau-Potenzialen steht das Interieur ebenso auf der Waage – wie die Karosserie. Polyurethan (PU) hat dabei gute Chancen, andere Werkstoffe zu substituieren. Denn als Schaum ist PU per se ein Leichtgewicht. Und es gibt neue Werkstoffe auf PU-Basis, die geringes Gewicht mit hoher Oberflächenqualität und guten Gebrauchseigenschaften kombinieren. Mit Elastoskin hat BASF Polyurethanes, Lemförde, ein Sprühsystem entwickelt, mit dem sich hochwertige Oberflächen in Softtouch-Qualität für Instrumententafeln, Türmodule, Armauflagen oder Mittelkonsolen erzeugen lassen. Manfred Michl, European Segment Leader Interior Business Unit Automotive bei BASF Polyurethanes: „Die Häute, die mit der Spray-Technik hergestellt werden, sind um bis zu 35 Prozent leichter als PVC und um 20 Prozent als eine herkömmliche Polyurethanhaut.“ Damit bietet diese Technik einen Gewichtsvorteil gegenüber etablierten Verfahren. Manfred Michl: „Die eingesetzten Galvano-Werkzeuge werden auf eine konstante Temperatur von 80 Grad gebracht und bestehen zumeist den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs – der sonst übliche Aufwärm- und Abkühlvorgang ist nicht notwendig.“ Mit dem Verfahren lassen sich auch komplexe Strukturen abbilden, und die Designfreiheit bei Farbe und Oberflächenstruktur vergrößert sich.

Leichtbau-Potenzial von PUR nutzen

Auch für die Hinterschäumung von Folien, Häuten oder Leder gibt es neue, gewichtsparende Lösungen auf PU-Basis. Für diesen Einsatzbereich wurde der Halbhartschaum Elastoflex E entwickelt. Der Werkstoff zeichnet sich durch eine besonders niedrige Schaumdichte von rund 120 g/L aus und eine hohe schalldämmende Wirkung. Aufgrund des guten Fließverhaltens kann der Werkstoff auch für dünne Schaumquerschnitte eingesetzt werden. Kurze Entformungs-Zeiten, gute Haftwirkung zu Träger- und Hautmaterialien sowie eine sehr weiche, angenehme Druckhaptik sind weitere Eigenschaften des neuen PU-Schaums. 10 bis 15 Prozent Gewicht lassen sich einsparen. Diese Schäume fertigt BASF Polyurethanes individuell nach Kundenwunsch.

Auch im Automobilbau wird der Trend zur berührungssensitiven Bedienlogik als zukunftsweisende Schnittstelle zwischen Mensch und Automobil aufgegriffen. Durch eine Kombination von thermoplastischem Grundträger, einer kapazitiven Sensorfolie und einem funktionellen Überzug aus Polyurethan (PUR) lässt sich dies realisieren. Wenn es um die Verarbeitung von transparenten PUR-Systemen zur Veredelung von Oberflächen geht, verfügt die Hennecke, Sankt Augustin, nicht nur über die passende Maschinentechnik. Mit dem Clearrim-Verfahren gelang dem Unternehmen vor mehr als einem Jahrzehnt der Durchbruch bei der Oberflächenversiegelung. Hierbei wird eine dünne PUR-Schicht unter Hochdruck in die Werkzeugkavität eingebracht, um thermoplastische Trägerelemente mit natürlichen Oberflächen innerhalb kürzester Zeit wirksam zu veredeln. Durch Einsatz spezieller Polyurethan- Rohstoff-Systeme ist es sogar möglich selbstheilende Oberflächen zu erzeugen.

Ein weiterer Vorteil der Clearrim-Technologie ist die Eignung, mit begleitenden Verarbeitungsprozessen kombiniert zu werden. Bestes Beispiel hierfür ist eine verfahrenstechnische Entwicklung, die aus der Kooperation zwischen Hennecke und der Engel Austria, Schwertberg, resultiert: die Clearmelt-Technologie. Hierbei werden thermoplastische Formteile im Spritzgussverfahren mit Dekorfolien oder Holzeinlagen kombiniert. Die eigentliche Veredelung mittels transparentem PUR-System wird dabei in der gleichen Produktionszelle realisiert. Diese wirtschaftliche Produktionsmethode bietet gute Möglichkeiten zur individuellen Oberflächengestaltung insbesondere im Hinblick auf die Realisierung spezieller Oberflächeneffekte. Mit der zusätzlichen Integration einer kapazitiven Folie bringt man nun einen elementaren Mehrwert in das Produkt ein. Beim konkreten Anwendungsbeispiel eines Bauteils der Cockpit-Mittelkonsole wird der thermoplastische Grundträger mittels einer Wendeplatten-Einrichtung aus PC/ABS gespritzt, während auf der zweiten Werkzeugseite gleichzeitig der im vorherigen Zyklus hergestellte Vorspritzling mit Polyurethan überzogen wird. Die kapazitive Folie wird vor dem Spritzen der ersten Komponente in das Werkzeug eingelegt. Die PUR-Schicht erfüllt bei diesem Bauteil mehrere Funktionen gleichzeitig. In Summe sorgt dieser Ansatz dafür, dass sich Autos in Zukunft so komfortabel wie Smartphones bedienen lassen.

Experten-Vernetzung treibt den Leichtbau an

Um ressourceneffiziente Produkte und Herstellungsprozesse zu realisieren, ist zusätzlich zum Einsatz von neuartigen Werkstoffen, wie etwa faserverstärkten Kunststoffen, aber auch die Funktionsintegration eine Möglichkeit leichtere Bauteile zu entwickeln. Also mit einem Bauteil möglichst viele technische Funktionen zu realisieren. Gerade deshalb ist deutlich mehr Know-How nötig, als für eine konventionelle Kunststoff-Konstruktion und -Verarbeitung. Ein ständiger enger Erfahrungs- und Wissensaustausch von Praktikern und Forschern aus dem Bereich Leichtbau hilft dabei auch.

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Über den Autor

Harald Wollstadt

ist Chefredakteur des Plastverarbeiter.

harald.wollstadt@huethig.de