Prozessintegration senkt Fertigungskosten

Das Hybridprofil besteht aus einem duroplastischen faserverstärkten Kern mit einem Querschnitt von 35 x 4 mm und einer umlaufenden 1 mm dicken thermoplastischen Deckschicht. Zwei Rippen demonstrieren das integrierte Ausformen von Funktionselementen. (Bildquelle: IKV)

Den vielfältigen technischen Vorteilen von Faserverstärkten Kunststoffen (FVK), wie das hohe Leichtbaupotenzial, die geringe Korrosionsneigung und hohe thermische Isolation, stehen insbesondere wirtschaftliche Nachteile gegenüber [1, 2]. Gerade  bei  hohen Stückzahlen wirken sich diese etwa im Vergleich zu den Fertigungsprozessen für metallische Bauteile deutlich aus [2]. Die Pultrusion dagegen ist als etabliertes Verfahren zur Fertigung von FVK-Profilen gerade für Hochleistungsprofile wirtschaftlich, da sie ohne teure und verschnittintensive Halbzeuge auskommt und vergleichsweise hoch automatisiert arbeitet [3, 4]. Es wird daher in den nächsten Jahren ein starker Anstieg der Nachfrage erwartet [5]. Um mit etablierten und wirtschaftlich produzierten Stahl- und Aluminiumprofilen konkurrieren zu können, ist allerdings eine hohe Qualität und Funktionalität bei sinkenden Produktionskosten nötig.

Prozessintegration senkt Fertigungskosten

Zu Beginn des Prozesses werden die Rovings von einem Spulengatter abgezogen und durch eine Faserführung in eine Injektionsbox geleitet. (Bildquelle: IKV)

Eine Methode, um die Bauteilfunktionalität bei sinkenden Prozessgesamtkosten zu erhöhen, ist es, Prozessschritte zu integrieren. Dieser Ansatz wurde bereits in verschiedenen Bereichen umgesetzt: Beispiele hierfür sind Kombinationstechnologien aus Spritzgießen und Thermoformen oder harzbasierter Flüssigimprägnierung [6]. Am IKV wurde die Integration und Kombination von Fertigungsprozessen nun in der Pultrusion umgesetzt, um pultrudierte Profile inline mit einer thermoplastischen Deckschicht zu versehen. Das Ziel des öffentlichen Forschungsvorhabens „Integrierte Pultrusion und simultane Extrusion“ (Inpulse) war es, die bei pultrudierten Profilen häufig notwendigen Nacharbeiten, wie Lackieren, um die Oberflächenqualität zu erhöhen, mit einer prozessintegrierte Herstellung einer Deckschicht zu vermeiden und zusätzliche Funktionalitäten hinzuzufügen. Beispielsweise Schlagzähigkeit und Schweißbarkeit. Das dazu entwickelte Hybridprofil besteht aus einem duroplastischen faserverstärkten Kern mit einem Querschnitt von 35 x 4 mm² und einer umlaufenden 1 mm dicken thermoplastischen Deckschicht. Die integrierte Ausformung von Funktionselementen wird anhand zweier Rippen demonstriert. Denkbar ist zukünftig auch die Integration von Dichtlippen, Schnapphaken oder Schweißzugaben, welche in der Pultrusion üblicherweise nicht gefertigt werden können.

Prozessintegration senkt Fertigungskosten

Das Besondere an der Werkzeugtechnik für das Hybridprofil ist, dass das Pultrusionswerkzeug in ein thermisch getrenntes Extrusionswerkzeug integriert ist, welches über eine Pinole die thermoplastische Schmelze zunächst zu einem Hohlprofil ausformt. Anschließend werden Deckschicht und Kern zusammenfügt. (Bildquelle: IKV)

Pultrusion und Extrusion kombinieren

Zu Beginn des Prozesses werden die Rovings – in diesem Fall kamen Glasfaserrovings des Typs Starrov 907 4800 Tex, Johns Manville, Trnava, Slowakei zum Einsatz – von einem Spulengatter abgezogen und durch eine Faserführung in eine Injektionsbox geleitet. Diese besteht aus einem konvergenten Spalt, in den eine Misch- und Dosieranlage duroplastisches Matrixmaterial kontinuierlich injiziert. Durch die Schleppwirkung der Rovings wird es in den konvergenten Spalt und die nachfolgende wellenförmige Walkstrecke eingezogen, um die Einzelfilamente des Rovings zu imprägnieren. Danach gelangt der Verbund aus Rovings und flüssigem Matrixmaterial in eine Vorkonsolidierungsstrecke. Deren Aufgabe ist es, die Reaktion des duroplastischen Matrixmaterials zu starten, um die Viskosität auf das Niveau der thermoplastischen Schmelze anzuheben, sodass nachfolgend bei ähnlichen Viskositäten gefügt werden kann. Das verhindert eine Deformation des Kerns durch die Druckströmung des Thermoplasts und unterstützt den Fügevorgang. Die Vorkonsolidierungsstrecke ist in Form eines vergleichsweise kurzen Pultrusionswerkzeugs realisiert. Sie ist 300 mm lang statt üblicherweise 700 mm bis 1.000 mm. Das Besondere an der Werkzeugtechnik für das Hybridprofil ist, dass das Pultrusionswerkzeug in ein thermisch getrenntes Extrusionswerkzeug integriert ist, welches über eine Pinole die thermoplastische Schmelze zunächst zu einem Hohlprofil ausformt. Über Düsenplatten wird die Endkontur der thermoplastischen Deckschicht ausgeformt, während gleichzeitig der sukzessive verkleinerte Querschnitt die Deckschicht mit dem pultrudierten Kern zusammenfügt. Anschließend wird das Profil abgekühlt und von den alternierend arbeitenden Abzugseinheiten der Pultrusionsanlage abgezogen.

Prozessintegration senkt Fertigungskosten

Um die mechanischen Eigenschaften des Hybridprofils zu testen, wurden Impact-Untersuchungen in Anlehnung an ASTM D 7137 durchgeführt. (Bildquelle: IKV)

Viele Materialkombinationen möglich

Der Prozess lässt sich grundsätzlich mit vielen Materialien oder Materialkombinationen realisieren. Hierbei gelten allerdings Randbedingungen. Zu diesen gehört unter anderem, dass die erreichbaren Abzugsgeschwindigkeiten primär von der Reaktivität des verwendeten duroplastischen Matrixmaterials abhängen, da eine ausreichende Viskositätssteigerung innerhalb des Pultrusionswerkzeugs erfolgen muss. Zudem bestimmt primär die chemische Kompatibilität des Fügepartners die Verbindungsqualität zwischen Duroplast und Thermoplast und lässt sich damit nur begrenzt durch den Prozess beeinflussen. Außerdem müssen die Verarbeitungstemperaturen von Thermoplast und Duroplast ähnlich sein, sodass die duroplastische Matrix nicht durch die üblicherweise heißere thermoplastische Schmelze thermisch geschädigt wird (Degradation).

Vor dem Hintergrund des eingangs genannten hohen Kostendrucks strebten die Projektbeteiligten einen möglichst schnellen und damit wirtschaftlichen Prozess an. Als duroplastische Matrix wurde daher ein hochreaktives Polyurethan (Typ Elastocoat C6226 von BASF Polyurethanes, Lemförde) ausgewählt. Pultrusionsversuche wiesen nach, dass das Material keine thermisch bedingte Degradation erfährt, wenn es ca. 20 Sekunden lang auf bis zu 230 °C erhitzt wird.

Die Auswahl der Materialien für die thermoplastische Deckschicht basiert insbesondere auf zwei Anwendungsszenarien. Zum einen wurden Sichtanwendungen wie Verkleidungen oder Geländer ausgewählt, bei denen die Deckschicht vor allem eine optische beziehungsweise schützende Funktion übernimmt. Für diese Anwendungen wurde eine wirtschaftliche Polyethylen-Deckschicht betrachtet (PE, Typ Lupolen 2420 K von Lyondellbasell, Rotterdam, Niederlande), welche zwar erwartungsgemäß keine stoffschlüssige Anbindung an die PUR-Matrix des Kerns zeigt, aber durch den Formschluss ausreichend fixiert wird. Zum anderen wurden Anwendungen untersucht, in denen die technischen Funktionen der Thermoplast-Deckschicht, wie Schweißbarkeit oder Krafteinleitung, im Vordergrund stehen. Hierfür wurde ein Polyamid (PA6, Typ Ultramid B27E von BASF, Ludwigshafen) als Beispiel für einen typischen technischen Thermoplast eingesetzt. Infolge der chemischen Kompatibilität von PA und PUR durch ihre ähnliche Polarität zeigt sich eine deutlich bessere Haftung, welche zur Krafteinleitung über die Deckschicht genutzt werden kann.

Abzugsgeschwindigkeiten von 2 m/min möglich

Mit den verwendeten Materialien erreichten die Wissenschaftler einen stabilen, reproduzierbaren Prozess. Die Abzugsgeschwindigkeit ist durch die Leistung des Laborextruders auf 1 m/min begrenzt; in einer industriellen Produktionsumgebung sind allerdings höhere Geschwindigkeiten umsetzbar. Der limitierende Faktor für die Produktionsgeschwindigkeit in einem industriellen Prozess ist nicht die Extruderleistung, sondern die Reaktivität der PUR-Matrix. Pultrusionsversuche zeigten, dass diese ausreichend hoch ist für Abzugsgeschwindigkeiten von 2 m/min.

Es wurden hohe Oberflächenqualitäten mit einer PE-Deckschicht erreicht, die das pultrudierte Profil optisch und haptisch aufwertet sowie schützt. Vereinzelt traten allerdings Fehlerbilder auf. Teilweise wurden Partikel von degradiertem Material in der Deckschicht entdeckt, die sich vermutlich in der Anfahrphase des Prozesses im Extrusionswerkzeug bilden. Hier kommt es zu Verweilzeiten der Schmelze im Werkzeug von mehreren Minuten, da der Pultrusionsprozess zuerst angefahren wird, um ein Rückströmen thermoplastischer Schmelze entgegen der Produktionsrichtung auszuschließen. Erst wenn ein stabiler Pultrusionsprozess besteht, kann die Extrusion gestartet werden.

Außerdem zeigten sich variierende Deckschichtdicken sowie ein lokales Ablösen der Deckschicht. Der Grund für diese Defekte ist eine zeitweise mangelnde Zentrierung des Pultrusionsprofils im Extrusionswerkzeug. Die Ursachen dafür können Inhomogenitäten des Schmelzeflusses oder sich bildende Gasblasen sein. Diese traten bei der Verwendung von PA als Deckschichtmaterial verstärkt auf, sodass damit nur mäßige Oberflächenqualitäten erreicht wurden. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Gasblasen sich aufgrund des oberflächlich auf dem Pultrudat vorhandenen internen Trennmittels bildeten, welches durch das Aufbringen der heißen thermoplastischen Schmelze verdampfte. Die höhere Schmelzetemperatur von PA löste ein verstärktes Verdampfen aus, was somit zu einer höheren Blasenbildung geführt haben könnte.

Um die mechanischen Eigenschaften des Hybridprofils zu testen, wurden Impact-Untersuchungen in Anlehnung an ASTM D 7137 durchgeführt. Hierzu wurden die Hybridprofile mit den Rippen nach unten eingespannt und mit einem Impact-Pröbekörper mit einer Energie von 70 J auf der glatten Rückseite belastet. Ein pultrudiertes Referenzprofil ohne Deckschicht zeigt eine signifikante Schädigung der Bauteiloberfläche sowie Faserbrüche auf beiden Seiten des Bauteils. Ein Hybridprofil mit einer PE-Deckschicht hingegen zeigt lediglich eine geringe Schädigung an der Oberfläche, weist aber eine flächige Delamination der PE-Deckschicht auf sowie Faserbruch auf der dem Impact abgewandten Seite. Ein Hybridprofil mit einer PA-Deckschicht erhöht die Impactbeständigkeit zusätzlich. Hier zeigt sich eine sehr geringe Schädigung der Oberfläche, aber keine Delamination der thermoplastischen Deckschicht. Die erwartete gute Haftung von PA auf der PUR-Matrix erreichte der Inpulse-Prozess also.

Weitere Anwendungen der Verfahrenskombination

Neben den eingangs erwähnten typischen Anwendungen pultrudierter Profile als Verkleidungselemente, Geländer oder strukturelle Bauteile sind beispielsweise auch neue Felder mit Hybridprofilen erschließbar. Durch die Barrierewirkung der Thermoplaste sind beispielsweise Medienleitungen in Form von Hohlprofilen denkbar, die zusätzlich strukturelle Funktionen übernehmen. Krafteinleitungselemente oder Schnapphaken zu integrieren, eröffnet Montagemöglichkeiten, die bisher nur mit extrudierten oder rein thermoplastischen Bauteilen möglich waren.

Das IGF-Forschungsvorhaben 18247 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

Literatur

[1] Neitzel, M.; Mitschang, P.; Breuer, U.: Handbuch Verbundwerkstoffe. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2014

[2] Ferkel, H.; Kurz, H.; Becke, J.-W.: Faserverbundwerkstoffe als wirtschaftliche Option für die Großserie. Umdruck zum CCeV Automotive Forum. Neckarsulm, 2010

[3] Starr, T.F.: Pultrusion for Engineers. Abington: Woodhead Publishing Limited, 2000

[4] Bühler, S.; Semlitsch, K.-H.; Ickert, L.; Krishnamoorthy, S.: PulPress – Large scale production of complex sandwich profiles. Proceedings of the 13th World Pultrusion Conference (EPTA). Prag, 2016

[5] Witten, E.: Composites and pultrusion market development. Proceedings of the 13th World Pultrusion Conference (EPTA). Prag, 2016

[6] Wobbe, H.: Kombinationstechnologien – der Schlüssel zum Leichtbau. Umdruck zur IKV-Fachtagung: Werkstoff- und Prozesskombinationen für composite-basierte Automobil-Leichtbauteile. Aachen, 2016

Über die Autoren

Prof. Dr. Christian Hopmann

ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen und Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV).

Peter Schneider

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des IKV.
peter.schneider@ikv.rwth-aachen.de
Tel.: 0241 8023828

Arne Böttcher

ist Leiter der Abteilung Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane des IKV.

Dr. Kai Fischer

ist wissenschaftlicher Direktor des IKV.