ITHEC 2016 Composites-Reifeprüfung

Redakteur: Luca Meister

Vergleichende Auslegung von kurz- und langfaserverstärkten Bauteilen. Werkstoffe mit thermoplastischer Matrix lassen es zu, die eingesetzten Kunststoffe durch Erwärmung umzuformen – auch mehrfach. Während duroplastische Thermoset-Teile stundenlang aushärten müssen, entstehen thermoplastische Composite-Bauteile im Minutentakt – in einer nie dagewesenen Prozessvielfalt.

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Das VCSEL-Verfahren für das flexible Tape­legen mit anschliessender Konsolidierung per Laser dient der flexiblen Fertigung faserverstärkter Composites mit hoher Reproduzierbarkeit.
Das VCSEL-Verfahren für das flexible Tape­legen mit anschliessender Konsolidierung per Laser dient der flexiblen Fertigung faserverstärkter Composites mit hoher Reproduzierbarkeit.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Der Rückblick auf die Zeit der «Alleinherrschaft» der faserverstärkten Duroplaste zeigt Bilder von Glas-, Carbon- und Aramidfasergeweben und natürlich auch von klebrigen Harzen und Härtern, die erst nach stundenlangem Aushärten ihre Festigkeit erlangten. Doch nicht allein dieser Grossserien-feindliche Umstand hat den Einzug in die Grossserienfertigung gebremst. Auch die Tatsache, dass nach dem Aushärten zahlreiche Arbeitsschritte erforderlich waren, bis einbaufertige Bauteile zur Verfügung standen, hat die zügige Durchsetzung dieser Technologie nicht gerade beflügelt.

Thermoplastische Composites fördern vielfältige Verfahren

Bei den thermoplastischen Composites ist das ganz anders. Für die Herstellung eines Bauteils gilt als Faustformel eine Zykluszeit von einer Minute. Und für seine Entstehung wurden in den letzten Jahren eine Vielzahl technischer Verfahren entwickelt – bis hin zur Umformung von faserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen, direkt in den Kavitäten von Spritzgiesswerkzeugen, wo sie zugleich hinterspritzt und innerhalb weniger Sekunden zu einbaufertigen Teilen mit komplexen Formen komplettiert werden. Doch neben diesem exemplarisch herausgegriffenen Beispiel gibt es noch ein gutes Dutzend weiterer Möglichkeiten für die kostengünstige Produktion faserverstärkter thermoplastischer Strukturteile.

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So vielseitig die Möglichkeiten sind, die diese Vielfalt der Industrie eröffnet, so schwierig ist es im Einzelfall, auf Anhieb das Optimum zu finden. Deshalb arbeiten Wissenschaftler in unabhängigen Instituten und in der Industrie unentwegt an der Standardisierung und Validierung der Prozesse sowie der Werkstoffe. Schliesslich können für die Grossserienfertigung nur Teile freigegeben werden, die in einer konstant hohen Qualität herstellbar sind. Dass daran Anwender aus der Automobil- und Zulieferindustrie mitunter Zweifel hegten, hat der saudi-arabische Kunststoffproduzent Sabic schon vor geraumer Zeit erkannt.

Testbauteil erlaubt bei Auslegung Vergleiche

Zugleich hat sich das Unternehmen entschlossen, an seinem niederländischen Standort zusammen mit dem Engineeringpartner Code Product Solutions eine Testkomponente zu entwickeln, welche die CAE-Auslegung faserverstärkter Spritzguss-Hybride zulässt. Dabei werden sogar die Einflüsse von Prozess-Schwankungen berücksichtigt und alle Prozessparameter und Werkstoffformulierungen in das CAE-System zurückgeführt. Um jedoch die Vergleichbarkeit aller Tests zu erreichen, wurde die neue Mehrzweck-Komponente entwickelt. Diese lässt es dank ihrer raffinierten Gestaltung zu, generell gültige Erkenntnisse zu gewinnen, während die Ergebnisse aus anderen Engineeringprozessketten meist nur für eine einzige Bauteilkonstruktion gelten.

Die Haupt-Herausforderung bestand darin, eine Testkomponente zu gestalten, die in der Lage ist, unterschiedliche Versagensarten heterogener Strukturen zu bewerten und zugleich die grosse Streubreite bezüglich des Ausfalls unidirektional verstärkter Composites sowie im Kurzfaser-Spritzguss hergestellter Teile in den Griff zu bekommen. Da hierbei die Belastbarkeit um mehr als den Faktor 20 variiert, bedarf es eines clever gestalteten und dimensionierten Testbauteils, um auch Fehler im Verbund und nicht nur im viel schwächeren Matrix-Material zu erkennen. Auf der ITHEC zeigen die Partner wie die CAE-Methodik und die Prozessführung entwickelt und validiert wurde. Präsentiert wird ausserdem die anisotrope Simulation kurz- und langfaserverstärkter Teile – vor allem, wie sich die Veränderung von Produktions- und Werkstoffparametern auf die mechanischen Eigenschaften auswirken.

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