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Leichtbau mit vielen neuen OptionenVerschnittoptimiert –3D-Faserspritzen –variotherme Konsolidierung

Für die Serienfertigung von Leichtbauteilen bieten thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe (TP-FVK) aufgrund der kurzen Verarbeitungszeiten sowie der werkstofflichen Rezyklierbarkeit und der Funktionalisierung im Spritzgießen oder Schweißen sowie den guten Werkstoffeigenschaften hohes Potenzial.

3D-Faserspritzen

Für die wirtschaftliche Fertigung von Leichtbauteilen hat sich das Fließpressen langfaserverstärkter Thermoplaste (LFT) bereits bewährt. Für Leichtbauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften sind LFT aufgrund der relativ niedrigen Fasergewichtsgehalte unter 40 Gewichtsprozent und Faserlängen kleiner 25 Millimeter nur eingeschränkt geeignet. Weitere Nachteile ergeben sich aus Faserlängendegradationen und Faserorientierungsvorgängen während der Plastifizierung und Formgebung im Werkzeug. Eine Variante der Herstellung struktureller Leichtbauteile aus TP-FVK ist das Erwärmen und Umformen bereits vollständig imprägnierter und konsolidierter, ebener Halbzeuge, der Organobleche. Sie bieten exzellente mechanische Eigenschaften und kurze Zykluszeiten. Die eingeschränkte Bauteilkomplexität und der hohe Anteil an Verschnitt vor und nach der Umformung sind aber problematisch.

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Ein kosteneffizienter Einsatz von TP-FVK für Leichtbauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften erfordert niedrige Material- und Herstellungskosten bei hoher Bauteilkomplexität und guten mechanischer Eigenschaften, um die funktionellen und mechanischen Anforderungen der Konstrukteure zu erfüllen. Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) hat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) und neun Industriepartnern im BMBF Projekt Inprolight eine Prozesskette entwickelt, mit der TP-FVK-Leichtbauteile mit lokal einstellbaren Eigenschaftsprofilen – ausgehend von günstigen Rohstoffen (Rovings) – verschnittoptimiert hergestellt werden können.

Faserorientierung

3D-Faserspritzen und variotherme Konsolidierung
Zur Kostensenkung bei TP-FVK-Leichtbauteilen wurden bereits verschiedene Technologien wie die verschnittoptimierte Halbzeugherstellung durch automatisiertes Schneiden und Ablegen thermoplastischer Hybridrovings entwickelt. Das sind Rovings, die Verstärkungs- und Thermoplastfilamente enthalten. Eine Möglichkeit zur verschnittoptimierten und automatisierten Fertigung ist das am IKV entwickelte 3D-Faserspritzen: Zunächst wird ein handhabbares, dreidimensionales Preform durch 3D-Faserspritzen auf eine Ablageform erzeugt, aus dem anschließend einstufig in einem variotherm beheizten Presswerkzeug unter Druck und hoher Temperatur ein Bauteil entsteht.

3D-Faserspritzen mit einstellbarer Faserorientierung
Beim 3D-Faserspritzen werden Hybridrovings, beispielsweise aus Polypropylen (PP) und Glasfasern (GF), auf definierte Längen bis 50 Millimeter geschnitten und in einem Luftstrom orientiert. Anschließend werden die orientierten Fasern bahnweise auf einer robotergeführten Ablageform abgelegt und durch Anschmelzen der Thermoplastfilamente in einem Heißluftstrom zu einem handhabbaren Preform verbunden. Die Filamente dienen zur Fixierung der verstärkenden Glasfasern während des Preformings und als Matrixmaterial im konsolidierten Bauteil. Im Gegensatz zur verschnittoptimerten Herstellung ebener Halbzeuge aus Hybridrovings ermöglicht das 3D-Faserspritzen direkt dreidimensionale Preforms mit lokal angepassten Faserorientierungen und Dickenunterschieden herzustellen, um die Eigenschaften des Preforms an die späteren Belastungen im Bauteil anzupassen.

Um den Einfluss der Prozessparameter beim Faserspritzen auf die Faserorientierung ind en Bauteilen zu bestimmen, werden ebene Preforms mit unterschiedlichen Prozessparametern hergestellt und auf einer Heizpresse zu Bauteilen konsolidiert. Der Hybridroving Twintex R PP 60 1870 aus Glas- und PP-Filamenten bietet einen Glasfaseranteil von 60 Gewichtsprozent, entsprechend etwa 36 Volumenprozent. Bild 3 links zeigt computertomographische Aufnahmen von zwei Proben mit unterschiedlicher Faserlänge und ‑orientierung. Bei der linken Probe sind die Fasern nahezu isotrop orientiert. Die rechte Probe weist einen hohen Anteil an Fasern im Bereich der 90 Grad-Richtung auf. Bild 3 rechts zeigt die Ergebnisse von Dreipunkt-Biegeprüfungen für zwei unterschiedliche Versuchspunkte jeweils längs und quer zur eingestellten Faserorientierung. Im ersten Versuchspunkt wird angestrebt, eine möglichst hohe Faserorientierung zu erzielen. Dabei wird ein Festigkeitsverhältnis von Längs- zur Querrichtung von 2,6 erreicht. Im zweiten Versuchspunkt soll ein quasiisotropes Materialverhalten eingestellt werden. Unter Berücksichtigung der Standardabweichungen liegen die Festigkeiten von Quer- und Längsrichtung auf dem gleichen Niveau.

Eigenschaftsprofil

Somit können mit der Faserleiteinheit die geschnittenen Langfasern beim Preforming von quasiisotrop bis zu einem Anisotropieverhältnis von 2,6:1 orientiert werden. Faserorientierungen in Belastungsrichtung können so mechanische Kennwerte im Bauteil über denen von orthotrop gewebeverstärkten Bauteilen mit gleichem Faservolumengehalt bewirken.

Variotherme Werkzeugtechnik hilft
Zur Bauteilherstellung werden die endkonturnahen, fasergespritzten Preforms in ein kaltes Presswerkzeug eingelegt und die bereits im Preform enthaltenen Thermoplastfilamente durch Aufheizung des Werkzeugs unter Druck aufgeschmolzen. Hierbei erfolgt die Imprägnierung der verstärkenden Glasfasern mit dem thermoplastischen Matrixmaterial. Nach der Imprägnierung wird das Werkzeug unter Druck auf Entformungstemperatur abgekühlt und das konsolidierte Bauteil entnommen.

Der Einsatz dreidimensionaler Preforms stellt besondere Anforderungen an die Werkzeugtechnik. Für die wirtschaftliche Fertigung und geringe Zykluszeiten ist eine dynamische, variotherme Werkzeugtechnik notwendig, die das schnelle Aufheizen und Abkühlen der Kavitätsoberfläche ermöglicht. Großes Potenzial bietet dabei der Einsatz fluider Medien, die optimierte Temperierkanäle im Werkzeug abwechselnd kaltem oder heiß durchströmen. Im Gegensatz zur variothermen Werkzeugtemperierung mit Induktion können die Temperierkanäle auch zur Kühlung des Werkzeugs verwendet werden können. So lassen sich neben den hohen Heizraten auch hohe Kühlraten zur Entformung realisieren.

Preforms

Für die Untersuchungen am IKV dient ein vom Werkzeugbau Siegfried Hofmann entwickeltes Prototypenwerkzeug, dass die direkte Herstellung komplexer, dreidimensionaler TP-FVK-Leichtbauteile in kurzen Zykluszeiten ermöglicht. Die generativ aufgebaute Kavitäteneinsätze sind mit einem dreidimensionalen Temperierkanalnetz nahe der Kavitätenoberfläche versehen.Die Kavität ist modular aus je vier wechselbaren Kavitätseinsätzen aufgebaut, um unterschiedliche Bauteilkomplexitäten in einem Grundwerkzeug untersuchen zu können.

In Bild 5 rechts sind punktuell gemessene Temperaturverläufe an der Kavitätsoberfläche beim Heizen und Kühlen dargestellt. Beim Heizen sind mit den vorgewählten hohen Vorlauftemperaturen zwischen 240 und 280 °C zunächst hohe Heizraten bis über die Kristallitschmelztemperatur (162 °C) der im Preform enthaltenen PP-Filamente möglich. Ein vergleichbarer Temperaturverlauf ergibt sich analog für die Abkühlung des Werkzeugs zur Konsolidierung und Entformung der Bauteile. Für die eingestellten Vorlauftemperaturen im Kühlkreis zwischen 30 und 70 °C ergeben sich Kühlzeiten zwischen 14 und 17 Sekunden bis Unterschreiten der Rekristallisationstemperatur der PP-Matrix von 116 °C. Aufgrund der geringen temperierten Masse der Kavitätseinsätze werden im relevanten Temperaturbereich auch bei dreidimensionalen Bauteilen von 400 mal 400 Millimeter hohe mittlere Heiz- und Kühlraten an der Kavitätsoberfläche zwischen etwa 7 und 10 K/s erzielt..

Variotherme Konsolidierung in kurzen Zykluszeiten
Untersuchungen an Platten mit 400 mal 400 mal 2 Millimeter und 50 Millimeter Faserlänge zeigen, dass durch die hohen Heiz- und Kühlraten und die kurzen Fließwege im hybriden Preform eine schnelle Imprägnierung und Konsolidierung auch bei niedrigen Werkzeuginnendrücken möglich ist. Für die Imprägnierung der Preforms in der variothermen Konsolidierung wird in den Untersuchungen eine mittlere Vorlauftemperatur von 260 °C im Heizkreis (Vorlauftemperatur 30 °C im Kühlkreis) gewählt. In älteren Untersuchungen war auch für kurze Heizzeiten von 120 bis 240 Sekunden (Maximaltemperatur etwa 230 °C) bei 20 bar Werkzeuginnendruck kein negativer Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften längs und quer zur eingestellten Faserorientierung erkennen. Die Heizzeit tH ist als die Zeit definiert, bei welcher der Preform unter voll aufgebrachtem Werkzeuginnendruck von 20 bar aufgeheizt wird. Aufgrund der langen Kühlzeiten bis zur Entformung von 7,5 bis 8,5 Minuten lag die Zykluszeit bei diesen Bauteilen inklusive Einlegen und Entformen zwischen 10 und 13 Minuten.

Variotherme Werkzeugtechnik

Aufbauend auf diesen Untersuchungen wird die Heizzeit tH schrittweise 120 auf 30 Sekunden reduziert. Den Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften zeigt Bild 6 links: Längs der Faserorientierung ist die Verringerung der maximalen Biegespannung von 298 auf 274 N/mm² zu erkennen. Quer zur eingestellten Faserrichtung nimmt die max. Biegespannung besonders zwischen 90 60 Sekunden Heizzeit ab. Auch wenn die Änderungen innerhalb der Standardabweichung der Mittelwerte liegen, kann eine Verringerung der Biegefestigkeit anhand der hier gezeigten Ergebnisse nicht ausgeschlossen werden.

Anschließend wird für die Heizzeit tH von 120 Sekunden die Kühlzeit tK schrittweise von 240 auf 35 Sekunden reduziert. Der Einfluss der Kühlzeit auf die mechanischen Eigenschaften zeigt Bild 6 rechts. Die maximale Biegespannung liegt für alle untersuchten Kühlzeiten auf ähnlichem Niveau. Durch schrittweise Reduktion der Kühlzeit auf etwa 35 Sekunden wurde die Zykluszeit bei gleichbleibenden Eigenschaften auf 188 Sekunden reduziert.

Die Ergebnisse der Untersuchungen an ebenen Bauteilen wurden anschließend auf die Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen mit Versteifungsstruktur und Bauteilen mit integrierten Krafteinleitungselementen übertragen (Bild 7). Die Verwendung endkonturnaher, dreidimensionaler Preforms ermöglicht es hierbei im Gegensatz zu den Umformverfahren für endlosfaserverstärkte, vorimprägnierte Halbzeuge, solche Bauteile direkt und ohne Umformvorgang herzustellen. Es können auch komplexe Bereiche mit Radien und Schrägen trotz des niedrigen Werkzeuginnendrucks von 20 bar und der kurzen Heizzeit von 120 s reproduzierbar imprägniert und faltenfrei abgeformt werden. So kann die Bauteilkomplexität gegenüber dem Umformen von Organoblechen bei minimalem Verschnitt erhöht werden.

Heizzeit und Kühlzeit

Die im Preform eingestellten Eigenschaftsprofile (lokale Faserorientierungen, -längen und Preformdicken) bleiben während der variothermen Konsolidierung erhalten, da nur geringe Fließvorgänge der Matrix beim Pressen notwendig sind. Dadurch ist es im Vergleich zum Fließpressen von LFT möglich, Bauteile mit Fasergewichtsgehalten über 60 Gewichtsprozent (LFT: maximal 40 Gewichtsprozent) bei Drücken um 20 bar (LFT: 100 bis 300 bar) herzustellen. Aufgrund des hohen Fasergehaltes und des hohen Orientierungsgrads der Fasern sind daher im Vergleich zum Fließpressen von LFT bessere mechanische Eigenschaften im Bauteil erzielbar. Die Zykluszeit zur Herstellung der dreidimensionalen Bauteile mit Versteifungsstruktur liegt mit 200 Sekunden aufgrund der etwas größeren zu temperierenden Masse der Kavitäteneinsätze geringfügig höher als bei ebenen Bauteilen.

3D-Faserspritzen mit höherer Effizienz
3D-Faserspritzen und die anschließende variotherme Konsolidierung ermöglichen die Produktion dreidimensionale Bauteile – nahezu verschnittfrei und mit kurzen Zykluszeiten. Dank automatisierter Herstellung dreidimensionaler Preforms lässt sich die Bauteilkomplexität gegenüber dem Umformen ebener Organobleche erhöhen. Dabei können mit gezielter, belastungsgerechte Einstellung von Preformdicke und Faserorientierung lokale Eigenschaftsprofile hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit erzielt werden. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften der Bauteile aufgrund der höheren Faserorientierungen, -längen, und -gehalte besser als beim klassischen Fließpressen langfaserverstärkter Thermoplaste. Die variotherme Konsolidierung ermöglicht es, die dreidimensionalen Preforms in einem Schritt – ohne die sonst erforderlichen – Umform- oder Fließvorgänge zu imprägnieren und zum Bauteil zu konsolidieren. Dabei sind Zykluszeiten von etwa 3 Minuten erzielbar. Die vorliegenden Ergebnisse an Bauteilen mit PP-Matrix werden in aktuellen Untersuchungen auf Bauteile mit Polyamid (PA)-Matrix sowie komplexere Bauteilgeometrien übertragen.

Bauteilgeometrien

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02PJ2080 gefördert.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von A. Böttcher, Dr. K. Fischer, Prof. C. Hopmann und R. Riedel.


Literatur

Drummer, D.; Gruber, K.; Meister, S.: Wechseltemperierung steuert Bauteileigenschaften. Kunststoffe 101 (2011) 4, S. 46-49

Ehrenstein, G.W.: Faserverbund-Kunststoffe. Werkstoffe - Verarbeitung – Eigenschaften. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2006

Giessauf, J.: Variotherme Temperierung – Methoden und Einsatzmöglichkeiten. Tagungsband zur VDI-Jahrestagung Spritzgießen. Baden-Baden, 2008

Hopmann, Ch.; Böttcher, A.; Pöhler, M.; Rösner, A.; Engelmann, C.; Schneider,F.: Neue Prozesskette für faserverstärkte Leichtbauteile. Kunststoffe 102 (2012) 5, S. 67-71

Hölzel, S.: Herstellung und Verarbeitung fasergespritzter Preforms aus thermoplastischen Hybridrovings. RWTH Aachen, Dissertation, 2003 – ISBN: 3861304864

Hopmann, C.; Schöldgen, R.; Böttcher, A.; Hildebrandt, M.; Pöhler, M.: Inline-Imprägnieren und 3D-Faserspritzen zur Herstellung thermoplastischer FVK-Strukturen. Umdruck zur Fachtagung Thermoplastische Faserverbundkunststoffe. Fürth, 2013

Jespersen, S.T.; Baudry, F.; Schmäh, D.; Wakeman, M.D.; Michaud, V.; Blanchard, P.; Norris, R.E.; Månson, J.-A.E.: Rapid Processing of Net-Shape Thermoplastic Planar-Random Composite Preforms. Applied Composite Materials 16 (2009) 1, S. 55-71

Mitschang, P.; Grebel, K.: Zykluszeitverkürzung bei der Verarbeitung von FKV durch den Einsatz variothermer Werkzeuge. Fachtagung Carbon Composites. Augsburg, 2012

Michaeli, W.; Pöhler, M.: 3D-Faserspritzen mit Faserorientierung. Lightweight design 6 (2010), S. 57-62

Schemme, M.: Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) - Entwicklungsstand und Perspektiven. 10. Internationale AVK-Tagung. Stuttgart, 2007

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