Pressemeldung anlässlich der Composites Europe 2013
Gerade im Fahrzeugbau ist Leichtbau ein zentrales Thema mit unverändert hoher Relevanz. Faserverbundkunststoffe bieten ein hervorragendes Leichtbaupotenzial. Bislang ist die Herstellung von Bauteilen aus diesem Material jedoch aufwändig und für die Serienfertigung in hohen Stückzahlen noch nicht etabliert.
Bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH wird auf einer weltweit einzigartigen Anlagentechnik die wirtschaftliche Fertigung von endlosfaserverstärkter Hochleistungsverbundbauteile für die automobile Großserie entwickelt. Grundlage ist die Kombination von Pressen und Spritzgießen in einer einzigen Fertigungszelle, mit der sich attraktive Taktzeiten realisieren lassen.
Das spezifische Anlagenkonzept besteht aus einer Spritzpresse des Typs ENGEL ESP 4400H/ 4400H/ 2500V (Bild 1a), die eine parallelitätsgeregelte vertikale 25.000 kN-Presse mit einer horizontal angeordneten Spritzeinheit kombiniert. Aufgrund der vertikalen Schließeinheit kann beim Einlegen von großen, flächigen Faserhalbzeugen in das kombinierte Press- und Spritzgießwerkzeug die Schwerkraft ausgenutzt werden, was gegenüber konventionellen Spritzgießmaschinen ein Vorteil darstellt.
Dies ermöglicht einen Fertigungstakt von 60 s für die Herstellung von großflächigen Leichtbauteilen aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten, sogenannten Organoblechen, die in einem anschließenden Spritzgießschritt mit Rippen und einem Rand funktionalisiert werden (Bild 1b).
Der Nutzen des von den Bayreuther Experten entwickelten Ansatzes liegt auf der Hand: Ultraleichte und hochwertige Bauteile in einer einzigen Fertigungszelle und in nur einem Verfahrensschritt herstellen zu können schafft ein großes Potenzial zur Senkung der Fertigungskosten. Mathias Mühlbacher, Gruppenleiter Verbundwerkstoffe bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH fasst zusammen: „Mit diesem innovativem Anlagenkonzept stellen wir den Zulieferbetrieben eine Produktionstechnologie zur Verfügung, mit der sie weltweit wettbewerbsfähige und attraktive Kunststoffprodukte herstellen können.“
Kombination der Spritzgießcompoundertechnologie (IMC) mit dem Langzeit- und Ermüdungsverhalten faserverstärkter Thermoplaste
Neben der Endlosfaserverstärkung von Kunststoffen beschäftigt sich die Neue Materialien Bayreuth GmbH mit der Direkteinarbeitung von Endlosfaserrovings während des Spritzgießens. Mit der sogenannten D-LFT Technologie lassen sich selbst geometrisch hochkomplexe Formteile aus kurz- und langfaserverstärkten Kunststoffen mit definierten Faserlängen (gewichtsgemittelt bis zu 8 mm) realisieren.
Um belastbare Aussagen über den Einsatz solcher Formteilen anspruchsvollen Verbauorten, z. B. im motornahen Bereich des Automobils (Bild 2), machen zu können, ist von essentieller Bedeutung, das Ermüdungsverhalten in Abhängigkeit von Faserlänge und thermischer Belastung zu kennen.
Bisher existieren jedoch kaum Erkenntnisse über den Einfluss der Faserlänge des faserverstärkten Bauteils in Verbindung mit seiner thermo-mechanischen Gebrauchsdauer. Daher wurde von der Neue Materialien Bayreuth GmbH eine spezielle Prüfvorrichtung, der sogenannte Innendruckwechseltest, entwickelt. Hiermit ist es nun erstmals möglich, die Ermüdungseigenschaften mit der Faserarchitektur in Einklang zu bringen und die Vorteile der Direktverarbeitung zu zeigen.
Charakterisierung von Schädigungsmechanismen in endlosfaserverstärkten Faserverbundkunststoffen mittels quantitativer Schallemissionsanalyse.
Im Rahmen der klassischen mechanischen Prüfung von Faserverbundkunststoffen bleiben zentrale Fragen, wie beispielsweise bei welcher Belastung erste mikroskopische Schädigungen auftreten, welche Schädigungsmechanismen auf den jeweiligen Lastniveaus dominieren und wie in Verbundwerkstoffen die einzelnen Komponenten zum Versagensmechanismus beitragen, häufig unbeantwortet.
Um die mikromechanischen Vorgänge in Faserverbundkunststoffen besser verstehen zu können, wurde in der Arbeitsgruppe von Professor Volker Altstädt das schon lange bekannte Verfahren der Schallemissionsanalyse in neuartiger Art und Weise mit der mechanischen Prüfung von Verbundwerkstoffen kombiniert.
Mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen werden die während der Werkstoffprüfung von der Probe emittierten Schallsignale analysiert und anhand ihres Frequenzspektrums klassifiziert. Damit ist es möglich, die auftretenden Schädigungsmechanismen Faserbruch, Matrixriss und Interphaseversagen sowie deren belastungsabhängigen Verlauf bereits vor dem völligen Versagen des Materials zu beobachten.
Besonders hervorzuheben ist der innovative Ansatz, die zunächst für die quasistatische Prüfung entwickelte Methodik auch auf dynamische Prüfverfahren zu adaptieren, um so möglichst realitätsnahe Langzeitbeanspruchungen abzubilden.
Insbesondere für hochgradig dynamisch beanspruchte Bauteile ist es notwendig die zur Langzeitermüdung beitragenden mikroskopischen Versagensmechanismen zu verstehen. Nur so lässt sich in Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe und Lastfälle das Leichtbaupotential von Faserverbundkunststoffen besser ausschöpfen.
Ansprechpartner
Neue Materialien Bayreuth GmbH
Gottlieb-Keim-Straße 60
95448 Bayreuth
Dipl.-Ing. Mathias Mühlbacher
+49 (0) 921 50736 112
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