Der Frontendträger im SUV Mercedes-Benz GLE besteht aus zwei verschweißten Verbund-Halbschalen, die ausgehend von Tepex dynalite 104-RG600(3)/47% hergestellt werden. Die verstärkenden Glasfaser-Rovings verleihen dem Bauteil einen sportlichen Look mit carbon-ähnlicher Anmutung. (Bild: Mercedes-Benz)
Vollkunststoff-Bremspedal für einen batterieelektrischen Sportwagen mit einem Einleger aus dem endlosfaserverstärkten, thermoplastischen Verbundwerkstoff.(Bildquelle: Lanxess)
Endlosfaserverstärkte, thermoplastische Verbundhalbzeuge, auch Organobleche genannt, haben im automobilen Leichtbau bereits einen festen Platz. So finden sie in der Massenfertigung etwa von Sitzschalen, Unterbodenverkleidungen und Elektrohaltern, aber auch Hochsicherheitsbauteilen wie Bremspedalen Verwendung. Im SUV Mercedes-Benz GLE kommt zum Beispiel ein Frontendträger aus zwei verschweißten und überspritzten Tepex-Verbundhalbschalen aus Polypropylen zum Einsatz. Der Träger wiegt rund 30 % weniger als vergleichbare Ausführungen in Stahlblech und zeigt eine exzellente Crash-Performance sowie Torsionssteifigkeit.
Bei Tepex handelt es sich um vollständig imprägnierte und konsolidierte, in konstanter Qualität für die Großserie gefertigte thermoplastische Verbundhalbzeuge von Lanxess. Ihre Matrix besteht aus Polypropylen, Polyamid 6 oder anderen Thermoplasten und wird meist mit Endlosfaser-Geweben aus hochfesten Glas- oder Carbonfasern, aber auch mit Langfasermatten oder Vliesen verstärkt. Im Fall von Geweben stehen die Fasern meist rechtwinklig zueinander und sind in beide Richtungen gleich verteilt (balanciert). Oft werden auch kettstarke Gewebe eingesetzt, die in einer Richtung einen deutlich höheren Faseranteil aufweisen. Die Folge ist eine vorwiegend unidirektionale Orientierung der Fasern, so dass die Eigenschaften der entsprechenden Halbzeuge – wie Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeausdehnung – richtungsabhängig sind.
So zugfest wie Metalle
Der Frontendträger im SUV Mercedes-Benz GLE besteht aus zwei verschweißten Verbund-Halbschalen, die ausgehend von Tepex dynalite 104-RG600(3)/47% hergestellt werden. Die verstärkenden Glasfaser-Rovings verleihen dem Bauteil einen sportlichen Look mit carbon-ähnlicher Anmutung.Bild: Mercedes-Benz
Im besten Fall entspricht die Faserlänge nach der Verarbeitung der Bauteillänge. Fließen die Kräfte im Bauteil hauptsächlich über die Endlosfasern, ergeben sich die für faserverstärkte Kunststoffe üblichen hohen Steifigkeiten und Festigkeiten. So kann die Zugfestigkeit von Stahl sowie Druckgussaluminium, -zink und -magnesium deutlich übertroffen werden.
„Tepex bietet enormes Leichtbaupotential! Bis zu 50 % Gewichtsersparnis sind je nach Anwendung möglich.“
Tepex übertrifft auch die Energieabsorption von Aluminiumblechen. Dies ermöglicht eine wesentlich höhere Schadenstoleranz etwa bei der Auslegung von Unterböden, da beispielsweise beim Impact am Aluminiumbauteil die Streckgrenze schneller überschritten wird und zu einer bleibenden Verformung führt. Die Kräfte sollten daher im Bauteil möglichst vollständig über die Endlosfasern geleitet werden. Dies wird dem Konstrukteur mit multiaxialem Tepex erleichtert. In diesen Verbundhalbzeugen können die einzelnen Glasfaserlagen belastungsgerecht in weitgehend frei wählbaren Winkeln orientiert werden, so dass daraus dünnere und damit leichtere Konstruktionen resultieren. Auch nahezu quasiisotrope Laminate für komplexe Mischbelastungen aus Normal- und Schubkräften sind umsetzbar.
Integration in den Blasformprozess
In vielen Anwendungen wie Frontendträgern oder Sitzschalen dient der Werkstoff zur lokalen Bauteilverstärkung. Es wird dazu in einem Prozessschritt im Spritzgießwerkzeug umgeformt und hinterspritzt (Hybrid Molding). Daher lag der Gedanke nahe, die Halbzeuge auch beim Blasformen zur Verstärkung von Hohlkörpern einzusetzen und entsprechend in den Blasformprozess zu integrieren. Anlass dazu waren Erfahrungen in der Konstruktion von druck- oder stark stoßbelasteten Hohlkörpern wie Tanks, die in bestimmten Bauteilbereichen – wie etwa am Einfüllstutzen – häufig mechanisch nicht ausreichend belastbar sind. Diese Schwachstellen könnten durch Einleger aus Tepex lokal verstärkt werden, um aufwändigere und dickwandigere Konstruktionen zu vermeiden. Weiterhin könnten die Halbzeuge großflächig in der Herstellung von blasgeformten Strukturbauteilen – wie etwa Hohlprofilen zur Karosserieverstärkung – Verwendung finden. Hohlprofile eröffnen an sich schon großes Potenzial zur Gewichtseinsparung. Es kann aber durch die verstärkenden Halbzeuge noch beträchtlich gesteigert werden, weil sich mit ihnen die Grundwanddicke von Bauteilen reduzieren lässt.
Seriennahe Prozessentwicklung
Experten des Anbieters diskutieren vor der Blasformanlage im Technikum Dormagen die Qualität eines blasgeformten und dabei mit Tepex-verstärkten Hohlkörpers.(Bild: Lanxess)
Die Machbarkeitsstudie zur Integration der Verbundhalbzeuge in den Blasformprozess erfolgte an einer seriennahen Blasformmaschine. Diese gehört zum Equipment, mit dem im unternehmenseigenen Kunststoff-Technikum Blasformmaterialien und deren Anwendung unter anderem in modernen Antriebssträngen entwickelt werden. Die Untersuchungen konzentrierten sich vor allem auf zwei Fragen: Zum einen, ob die Verbundhaftung zwischen Blasformmaterial und Verbundhalbzeug genügend hoch ist; zum anderen, ob die üblicherweise eingesetzten niedrigen Blasdrücke ausreichen, um das Verbundhalbzeug im Blasformwerkzeug umzuformen (zu drapieren).
Stoffschlüssiger, hochfester Verbund
Die Verbundfestigkeit wurde in Zugversuchen an flachen, aus blasgeformten Versuchsteilen ausgeschnittenen Probekörpern ermittelt, die unter anderem aus Polyamid 6 und 66 bestanden. Der Überlappungsbereich von Blasform- und Verbundmaterial hatte eine Länge von 12 mm. Die Versuche zeigten, dass eine exzellente Haftung zwischen beiden Materialien resultiert und der Einleger vom Blasformmaterial stoffschlüssig umschlossen wird. Dank der vollständigen Imprägnierung der Endlosfasern wird die Verstärkung während der Verarbeitung rekonsolidiert. Lufteinschlüsse treten nicht auf. Der Probekörper bricht nicht in der Verbundfläche, sondern in rein aus Blasformmaterial bestehenden Bereichen. Daher entsprechen die gemessenen Festigkeitswerte der lokalen, geometrisch bedingten Festigkeit des Blasformmaterials. Dies bedeutet, dass Tepex seine hohe Festigkeit und Steifigkeit voll ausspielen kann, wenn die Belastungskräfte in den Verbundbereich des Bauteils eingeleitet werden.
Auch kritische 3D-Verbundgeometrien umsetzbar
Für die Untersuchungen zur Umformbarkeit des Verstärkungsmaterials im Blasformprozess wurde im Sinne eines Worst Case-Szenarios eine halbkugelartige Bauteilgeometrie mit einem Radius von nur 20 mm gewählt. Die Versuche ergaben, dass eine 3D-Umformung bereits mit geringen Blasformdrücken ab 6 bar möglich ist und selbst kritische Geometrien wie Ecken sowie Radien von weniger als 20 mm abgebildet werden können. Die Oberflächengüte ist für ein technisches Bauteil ausreichend hoch und lässt sich unter anderem über eine präzise Temperaturkontrolle von Werkzeug und plastifiziertem Verbundeinleger weiter verbessern.
Markante Verfahrensvereinfachung
Dank der guten Haftung zwischen Blasformmaterial und Verbundwerkstoff kann dieser seine Stärken in puncto Festigkeit und Steifigkeit voll ausspielen.(Bild: Lanxess)
Im Anschluss an diese Versuche wurden auf der Technikumsanlage erste, mit Tepex lokal verstärkte Modellhohlkörper gefertigt. Der Verfahrensablauf ist grundsätzlich wie folgt: Zunächst wird aus dem Blasformmaterial ein schlauchförmiger Vorformling extrudiert. Parallel wird im Blasformwerkzeug der extern aufgeheizte und plastifizierte Zuschnitt des Verbundeinlegers positioniert. Anschließend wird der Vorformling im Werkzeug aufgeblasen und verformt dadurch auch den Verbundzuschnitt. Es entsteht ein Bauteil mit definierter Geometrie und lokaler Verbundverstärkung. Die Umformung des Verbundeinlegers ist somit in den Blasformprozess integriert. Es resultiert ein einstufiger Gesamtprozess mit kurzen, wirtschaftlichen Zykluszeiten, wie sie für das Blasformen charakteristisch sind. Das Handling des Verbundeinlegers und des fertigen Bauteils lassen sich wie beim Hybrid Molding-Verfahren automatisieren.
Bisher musste zur Herstellung solcher lokal verstärkten Bauteile nachträglich ein Verbundzuschnitt auf den blasgeformten Hohlkörper geschweißt werden. Diese Vorgehensweise hat sich bisher nicht breit durchsetzen können, denn der Gesamtprozess ist aufwändig. Dagegen bedeutet der neue, einstufige Prozess eine markante Vereinfachung. Auch gegenüber Tapes, die ebenfalls zur lokalen Bauteilverstärkung verwendet werden, ergeben sich Vorteile. Das Handling des plastifizierten Verbundeinlegers ist durch dessen Gewebeverstärkung deutlich einfacher als das von Tapes, die unidirektional mit Endlosfasern verstärkt sind. Die Folge ist ein stabilerer und sicherer Fertigungsprozess.
Breites Materialsortiment verfügbar
Lanxess verfügt für die neue Verfahrens-Material-Kombination über ein breites Produktportfolio an hochviskosen Blasform-Compounds auf Basis von Polyamid mit und ohne Glasfaserverstärkung. Dazu zählen etwa sehr weiche, schlagzähe Produkte wie die unverstärkten Polyamid 6-Compounds Durethan BC700HTS DUSXBL und BC550Z DUSXBL. Sie bieten sich für Tepex-verstärkte Tanks oder andere Hohlkörper an, die in der Anwendung besonders schlagzäh und flexibel sein müssen. Die glasfaserverstärkten Blasformprodukte eignen sich dagegen mehr für Hohlprofile des strukturellen Leichtbaus.
Auch bei dem Verbundeinleger steht eine breite Palette an Produkttypen für das neue Verfahren bereit. Darunter befinden sich Materialien, die mit Endlosfasergeweben oder -gelegen aus Glas- oder Carbonfasern verstärkt sind. Die Matrix der Verbundhalbzeuge kann von Polyamiden bis hin zu Polyolefinen variieren.
Neue Materialentwicklungen
Winkelabhängigkeit des Zug-E-Moduls und der Zugfestigkeit von Tepex flowcore im Rohzustand (0° = Produktionsrichtung) sowie in drei verschiedenen Verarbeitungszuständen. Je nach Konfiguration des Fließpressprozesses ist ein isotropes, aber auch ein stark anisotropes mechanisches Verhalten erreichbar.(Bild: Lanxess)
Weiterhin wurden kürzlich halogenfrei flammgeschützte Produktvarianten mit Polyamid 6-Matrix in den Markt eingeführt, die die Einstufung V-0 im UL 94-Brandtest des US-Prüfinstituts Underwriters Laboratories Inc. erreichen. Die Materialien zielen auf verschiedene Anwendungen in Elektrofahrzeugen wie etwa Batterieeinhausungen und ihre Komponenten sowie auf Bauteile in Schienenfahrzeugen.
Ebenfalls neu ist ein vor allem für das Fließpressen von Unterbodenverkleidungen oder Laderaummulden entwickeltes, leichtfließendes Polyamid 6-, bzw. Polypropylen-Verbundmaterial mit einer speziellen Wirrfaserverstärkung. Es verhält sich wie ein thermoplastisches Sheet Molding Compound (SMC) und ist in Richtung der Verstärkungsfasern annähernd so biegefest und steif wie ein mit Endlosfasergewebe verstärktes Tepex dynalite. Auch senkrecht zur vorwiegenden Faserorientierung ist das mechanische Eigenschaftsniveau hoch. Im neuen Blasformverfahren könnte dieses Tepex flowcore zum Beispiel in der Herstellung von verstärkten, als Hohlkörper ausgelegten Überrollbügeln oder von druckbelasteten Behältern zum Einsatz kommen.
