Mit dem Surface-RTM-Verfahren hergestellte faserverstärkte Sichtbauteile für den Fahrzeugbau sind sofort und erlauben eine kostengünstige Großserienproduktion. (Foto: KraussMaffei)
Serientaugliche Lösungen für den faserverstärkten Leichtbau
28. Juli 2014 / KraussMaffei zeigt in diesem Jahr auf der Composites Europe (Düsseldorf, 7. bis 9. Oktober, Halle 8B, Stand G14) sein umfangreiches und hochwertiges Portfolio für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen (FVK). Als einer der wenigen Anbieter am Markt bietet der Technologieführer ausgefeilte Maschinen- und Werkzeugtechnik sowohl für die Verarbeitung thermoplastischer als auch duroplastischer Matrixsysteme.
Im Fokus der Entwicklung stehen vor allem großserientaugliche Lösungen für Leichtbauteile, die zunehmend im Fahrzeugbau gefragt sind. Jüngstes Beispiel ist eine Weiterentwicklung des RTM-Verfahrens, die erstmalig die Verarbeitung thermoplastischer Matrixsysteme erlaubt.
Thermoplaste punkten im RTM-Verfahren
In der automobilen Serienfertigung von FVK-Bauteilen überzeugt das RTM-Verfahren vor allem durch sein hohes Automatisierungspotenzial. Bislang wurden hier vornehmlich duroplastische Matrixsysteme, zumeist Epoxidharze, verwendet. "Der Einsatz gesamtwirtschaftlich günstigerer thermoplastischer Matrixsysteme scheiterte bislang vor allem an der vergleichsweise hohen Viskosität im schmelzeflüssigen Zustand, die eine porenfreie Tränkung der trockenen Faserhalbzeuge unter akzeptablen Prozessparametern praktisch ausschließt", erklärt Erich Fries, Leiter der Business Unit Composites/Surfaces des Segments Reaktionstechnik bei KraussMaffei. In Zusammenarbeit mit der Volkswagen Aktiengesellschaft und der BASF SE ist es KraussMaffei nun gelungen, den Einsatz thermoplastischer Matrix-Systeme auch auf das RTM-Verfahren zu übertragen.
Das sogenannte T-RTM-Verfahren basiert auf einem niedrigviskosen, reaktiven Caprolactam-System, das in ein geschlossenes, mit einem Lagenaufbau aus textilen, endlosfaserverstärkten Halbzeugen belegtes isotherm temperiertes Werkzeug injiziert wird und darin zu einem Polyamid 6 polymerisiert. Die Polymerisation erfolgt nach Durchtränkung der Fasern in kurzen Aushärtezeiten. Erste Referenzen sind die im FVK-Technikum der Volkswagen Konzernforschung in Wolfsburg im T-RTM-Verfahren hergestellten Prototypen einer B-Säulenverstärkung.
Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Entwicklung des T-RTM-Verfahrens war eine umfangreiche Anpassung der eingesetzten Caprolactam-Systeme. Sie enthalten neben dem erforderlichen Aktivator und Katalysator, auch eine Reihe von Additiven und Zusatzstoffen, um für den späteren Einsatzzweck der FVK-Bauteile angepasste Matrixsysteme zu bilden. Weiterhin war für einen störungsfreien Fertigungsablauf eine speziell an die Verarbeitung des extrem niedrigviskosen Systems angepasste Dosieranlage notwendig. Die von KraussMaffei eingesetzte Misch- und Dosieranlage ist daher mit einem speziellen Mischkopf, leistungsfähigen Axialpumpen sowie einer durchgehend elektrischen Temperierung ausgestattet.
Lackierfähige CFK-Bauteile
Darüber hinaus präsentiert KraussMaffei zur Composites Europe das Surface-RTM-Verfahren. Mit dem zusammen mit Partner entwickelten Verfahren lassen sich faserverstärkte Sichtbauteile für den Fahrzeugbau lackierfähig und kostengünstig in der Großserie herstellen. Durch Überfluten der Surface-RTM-Bauteiloberfläche mit einer PUR-Schicht direkt in der Kavität, entstehen lackierfähige Bauteile, ohne dass weitere Zwischenschritte erforderlich sind. Die Kostenvorteile liegen bei bis zu 60 Prozent pro Bauteil, da eine aufwendige, häufig manuelle Nachbearbeitung entfällt. Der PUR-Eintrag erfolgt sowohl für das Trägerbauteil als auch für die Oberfläche über ein auf geringen Spalt geöffnetes Werkzeug (Compression-RTM). Dadurch entsteht nur ein niedriger Fließwiderstand, wodurch eine Injektion des PUR-Systems mit vergleichsweise großen Austragsmengen möglich wird. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen und somit das Fasergelege mit dem Harz verpresst.
"Die Nachfrage nach dieser Technologie ist seit der Vorstellung auf der K 2013 sehr groß. So führen wir bereits zahlreiche intensive Gespräche mit OEMs und Zulieferern, die das Verfahren für die Großserie nutzen wollen. Auch Unternehmen der Elektronik-Elektro-Branche zeigen großes Interesse", erklärt Fries.
FiberForm-Verfahren nutzt KraussMaffei Kompetenz des Spritzgießens
Eine vollautomatische Produktion sowie reproduzierbare Herstellungsprozesse mit kurzen Zykluszeiten standen ebenfalls bei der Entwicklung der FiberForm-Technologie von KraussMaffei im Fokus. FiberForm ist ein multifunktionales Verarbeitungsverfahren, das das Spritzgießen mit dem Thermoformen von Organoblechen kombiniert, um so das Festigkeitsniveau faserverstärkter Kunststoffteile weiter anzuheben. Auf diese Weise können Sitzschalen und -lehnen, Instrumententafelträger, Verdeck-Kästen, Seitenaufprallschutz-Komponenten, technische Teile im Motorraum sowie Semi-Strukturbauteile umgesetzt werden. Da sich FiberForm mit nahezu allen Sonderverfahren kombinieren lässt, ergeben sich unzählige Ansätze für Funktionsintegration und Bauteilgestaltung.
Bei der FiberForm-Technologie werden mit thermoplastischer Matrix imprägnierte Gewebe oder Gelege aus Endlosfasern aufgeheizt, im Spritzgießwerkzeug umgeformt und anschließend hinterspritzt. "Hierbei können zusätzliche Versteifungen durch Rippen realisiert und weitere Funktionen integriert werden. Da sich die Produktion nahtlos in einen Spritzgießbetrieb einfügt, eignet sich das Verfahren bestens zur Herstellung leichter Strukturbauteile für Großserienanwendungen", ergänzt Stefan Schierl, Entwicklungsingenieur Technologieentwicklung bei KraussMaffei. Wie das Spritzgießen ist auch die FiberForm-Technologie von KraussMaffei einfach zu automatisieren und ermöglicht eine vollautomatische Produktion mit kompakten Fertigungszellen.
Die Steuerung für eine Infrarotheizung zur Erwärmung der Organobleche ist bereits vollständig in die Maschinensteuerung (MC6) integriert. Dies ermöglicht eine einfache Prozess- und Qualitätskontrolle, da wichtige Parameter von der Maschinensteuerung protokolliert werden. Optional bietet KraussMaffei auch das Vorwärmen mittels Umluftofen in Paternosterausführung an. "Diese Technologie zeichnet sich durch eine besonders homogene Temperaturverteilung über die gesamte Fläche und Materialdicke sowie eine materialschonende und energieeffiziente Verarbeitung aus", so Schierl. Diese positiven Eigenschaften kommen zum Beispiel bei der Herstellung von Hohlkörperbauteilen mit lokalen Verstärkungen und damit verbundener hoher Designfreiheit zum Tragen.
