Herr Heckel, was ist das Neue an der EMS Tape Technology?
Heckel Wir verfolgen mit der ETT das Ziel, komplexe Strukturbauteile gezielt nur an den Stellen mit Hochleistungswerkstoffen zu verstärken, wo es die Spannungen und Belastungen des Bauteils erfordern. Hierbei wird diese Verstärkung genau in der Richtung der Hauptspannungen eingebracht, also nur so viel wie nötig und nur dort wo die Verstärkung effizient wirken kann. Im Gegensatz zu Metall-einlegern werden die mit dem Spritzgussmaterial kompatiblen Bänder mit ihrer gesamten Oberfläche verschweißt und stellen eine stoffschlüssige Verbindung der Elemente sicher. Diese Kombination eines kostengünstigen Groß-Serienverfahrens wie dem Spritzguss und der Möglichkeit, lokal und gezielt Verstärkungen auf Basis des gleichen Polymers und Endlosfasern einzubringen, ist neu.
Wenn mit den Tapes weniger Werkstoff eingesetzt wird – in welcher Größenordnung sind da Kosteneinsparungen möglich?
Heckel Das hängt extrem vom jeweiligen Bauteil ab. Je ungleichmäßiger Spannungen lokal auftreten, desto weniger Tapes werden für die Verstärkung benötigt und desto preisgünstiger kann das Basismaterial werden. Da alle Fasern der Tapes genau in die richtige Richtung zielen, wird an der Verstärkungsstelle ein maximaler Produkt-Wirkungsgrad erzielt. Und das heißt minimaler Werkstoffaufwand. Im Vergleich zur Verwendung flächiger thermoplastischer Halbzeuge, die mit erheblichem Beschnitt-Abfall und aufwendiger Verfahrenstechnik verarbeitet werden, stellt der klassische Spritzgussprozess mit automatisierter TapeEinlage ein erhebliches Kostensenkungspotenzial dar. Die Tapes werden beanspruchungsgerecht im Bauteil platziert, je nach der gewünschten Verstärkungsart (Zug, Biegung, Torsion) und helfen somit, die Wanddicken der Bauteile zu reduzieren. Das spart nicht nur Werkstoff, sondern auch Zykluszeit.
Gibt es bereits erste Anwendungen mit den neuen Tapes?
Heckel Entwicklungen werden ab Ende 2014 in Serie gehen, wobei hier mehrere verschiedene Verfahrenstechniken zum Einsatz kommen werden. Die drei Hauptverfahren sind hierbei vertreten: Spritzguss des Bauteils mit nachträglicher Armierung durch Tapes, Spritzguss mit im Werkzeug eingelegten Tapes beziehungsweise Vorformlingen (an die Werkzeugkontur angepasste Einleger), Spritzguss eines Träger-Skeletts, Aufbringen der Tapes auf diesen Träger durch Tape-legen oder Spannen von Schlaufen und Fertigspritzen in einem Nachfolgewerkzeug. Jedes Bauteil muss hierbei hinsichtlich der auftretenden Spannungen analysiert werden, um die optimale Position und den Grad der lokalen Verstärkung zu bestimmen.
Dies erfolgt durch entsprechende Simulationsrechnungen in unserem Anwendungstechnischen Zentrum. Dazu wird dann eine abgestimmte Verfahrenstechnik entwickelt, die auch entsprechende Werkzeugkonstruktionen vorsieht. EMS hat die entscheidenden Prozessparameter mithilfe von Demonstrator-Bauteilen erarbeitet und unterstützt die Bauteilherstellung und -erprobung. Gerade das Abstützen von Bindenähten oder die lokale Verstärkung in Bereichen geringer Faserausrichtung relativ zu den Hauptspannungen zeigen die erhebliche Verstärkungswirkung durch die Tapes.
Zuerst die Langfasern, jetzt Endlosfasern; haben kurze Fasern bald ausgedient?
Heckel Nein. Es geht um eine intelligente Nutzung von Werkstoffen. Jede Faserlänge im Werkstoff hat ihre spezi-fischen Vorteile, im Verbund sind kosten- und gewichts-optimierte Lösungen erarbeitbar. Je inhomogener Spannungen im Bauteil auftreten und je unterschiedlicher die Be-lastungsarten ausfallen, umso interessanter werden Verbundlösungen mit Kurz- oder Langfaserpolyamiden in Kombination mit Tapes. In tausenden von Bauteilen haben klassische Kurzfaserprodukte fehlerfrei zu leichten und
kostengünstigen Bauteilen geführt. Bei steigenden Anforderungen stehen langfaserverstärkte Polyamide zur Verfügung. Noch mehr Leistung oder noch weniger Gewicht kann jetzt durch den Einsatz von Tapes mit der ETT erreicht werden.
Welche Anwendungssegmente nebst dem Automobilbau sind ebenfalls prädestiniert für den Einsatz der Verstärkungs-Tapes?
Heckel In der Sportartikelindustrie spielt oft das minimale Gewicht eine sehr große Rolle. Hier sind Bauteile zum Teil mit hohen Anteilen der Tapes in Entwicklung. Besonders interessant ist hier auch die Eigenschaft der Tapes, nur in gezielt eine Richtung höchste Steifigkeit und Festigkeiten zu erzielen, währen die Querrichtung oder die Torsionssteifigkeit nicht verändert wird. Damit lassen sich Bauteile mit gezielt richtungsabhängigen Eigenschaften erzielen, was mit isotropen Werkstoffen nicht möglich ist. In den Industriesegmenten werden vor allem Kriechsteifigkeiten im Bereich Sanitäranwendungen und im Bau verlangt. Hier wurden in Versuchen von EMS selbst mit sehr hohen Spannungen bis 200 MPa herausragende Eigenschaften erzielt, die mit konventionellen Werkstoffen nicht erreicht werden können.
Hat der Einsatz von Verstärkungs-Tapes Einfluss auf die Oberflächenqualität eines Bauteils?
Heckel Das kommt ganz auf die Technologie der Tape-Position an. Die Tape-Einleger würden zunächst einmal dem Druck des Spritzgussmaterials im Werkzeug ausweichen. EMS hat Verfahren entwickelt, wie sich die Vorformlinge kernorientiert oder kavitätorientiert im Werkzeug an die Oberfläche anlegen. Hierbei wird selbstverständlich das Tape an der Oberfläche sichtbar.
Es gibt aber auch Technologien, mit denen die Tapes im Bauteilinneren gehalten werden. Zum Beispiel können Tapes auf einem Vorspritzling verankert werden, der dann als Einleger in einem zweiten Werkzeug umspritzt wird und die Bänder vollständig abdeckt.
Gibt es einen Werkzeugtyp, der sich besonders für Tapes eignet?
Heckel Jede Werkzeugkonstruktion ist ein Unikat. Es kommt darauf an, welche Eigenschaft des Bauteils wo gezielt erhöht werden soll. EMS zielt auf komplexe Strukturbauteile, da die ETT gerade hier die Problemstellungen der Abfall- und Beschnittanteile an den Werkstoffkosten und die Faltenbildung von flächigen Endlosfaser-Halbzeugen vermeiden kann. Für das Einbringen der Tapes in die Werkzeuge gibt es verschiedene Lösungsansätze, die im Paket der ETT (Simulation, Verfahrenstechnik, Produkt) von EMS angeboten werden.
„Besonders interessant ist die
Eigenschaft der Tapes, nur in gezielt eine Richtung höchste Steifigkeit und Festigkeiten zu erzielen, währen die Querrichtung oder die Torsionssteifigkeit nicht verändert wird.“
Horst Heckel
Produktmanager LFT,
EMS-Grivory Europa,
horst.heckel@de.emsgrivory.com
Technik im Detail
Langfaserverstärkte Polyamide als Tapes
Vor allem neue hoch-hitzestabilisierte sowie langfaserverstärkte Polyamide sorgen dafür, dass der Leichtbau mit Hochleistungskunststoffen in immer mehr Bereichen des Automobils möglich wird. Diese Hochleistungskunststoffe halten hohen thermischen und mechanischen Belastungen stand, haben aber eine geringe Dichte und sind einfach zu verarbeiten. Gepaart mit cleveren Bauteiloptimierungen können so signifikante Gewichts- und Kostenvorteile erzielt werden. Langfaserverstärkte Polyamide sind nun auch in Form von Tapes verfügbar, worin die gerichteten Endlosfasern vollständig imprägniert sind. Die Tapes können gezielt in jenen Bauteilbereichen eingesetzt werden, wo die größten mechanischen Belastungen auftreten. Durch diese lokale Verstärkung kann für das Bauteil oft ein weniger leistungsfähiger Basiswerkstoff eingesetzt werden, was zusätzliche Kosteneinsparungen bringt. Auch an Stellen mit suboptimaler Faserorientierung, wie beispielsweise Bindenähten, kann die Platzierung eines solchen Verstärkungsbandes die Festigkeitswerte verdoppeln. Zudem werden erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Biege- und Torsionsbelastungen erzielt.
