Wirtschaftlichkeit und Recyclingfähigkeit

Sandwichstrukturen automatisch verarbeiten

In der Luft- und Automobilindustrie (Stichwort: Elektromobilität) sind Leichtbaukonzepte gefragt. Denn geringeres Gewicht bedeutet weniger Energieverbrauch, was letztlich Kosten einspart und die Belastung der Umwelt reduziert.

PP-Sandwichbauteil bestehend aus Decklagen, Kernmaterial und einem Rippenfeld als Funktionselement. (Bild: Neue Materialien Bayreuth)

Wegen des hohen Leichtbaupotenzials sind Sandwichstrukturen für diese Branchen so attraktiv. Sie versprechen geringes Gewicht bei vergleichsweise hoher Steifigkeit und Biegesteifigkeit und Energieabsorption. Zudem bieten Sandwichstrukturen gute thermische und akustische Isolation. Diese Eigenschaften klingen verheißungsvoll, doch momentan wird das Potenzial von Sandwichstrukturen noch nicht voll abgerufen. Langwierige und teure Handarbeit prägt den Leichtbau, automatisierte Prozesse sind selten und liefern bislang nur einfache Bauteile mit bescheidener Funktionalität.

Hier setzte das Forschungsprojekt MAI Sandwich an. Ziel war es, einen vollständig automatisierten Prozess zu entwickeln, der das Umformen, das Fügen von Deckschichten und Kern sowie die Funktionalisierung des Bauteils integriert. Besonders im Fokus stand die Wiederverwertbarkeit der Materialien. Die Sandwichstrukturen wurden deshalb bewusst sortenrein hergestellt, um das Recycling der Bauteile so einfach und wirtschaftlich wie möglich zu machen.

Um eine hohe Druckfestigkeit der Bauteile zu erreichen, kamen faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, die in der Automobil- (PP-GF, PP-CF, PA-CF) oder Luftfahrtindustrie (PESU-CF) verwendet werden. Die unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen dieser Materialien waren eine besondere Herausforderung, denn es musste ein Werkzeugkonzept entwickelt werden, das alle Materialien gleichermaßen verarbeiten kann.

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Gleichmäßige Innenstruktur trotz des mit hohem Druck angespritzten Elements. (Bild: Neue Materialien Bayreuth)

Weil etwa PESU-CF für die Verarbeitung auf rund 400 Grad Celsius erhitzt werden muss (PP nur knapp über 200 Grad) und die nur einen Millimeter dünnen Deckschichten sehr schnell abkühlen, musste ein sehr schnelles Handlingsystem konzipiert werden, das die in peripheren Anlagen aufgeheizten Schichten der Sandwichstrukturen ohne großen Temperaturverlust ins Werkzeug transportiert.

Eine völlig neue Prozesstechnologie war auch notwendig, um die Funktionalisierung der Sandwichstruktur zu ermöglichen und eine Dekonsolidierung der Deckschichten während des Fügens zu verhindern. Denn ein direktes Anspritzen auf eine Sandwichstruktur ist wegen des hohen Drucks, der dafür notwendig ist (beim Luftfahrtmaterial PESU-CF rund 1500 bar) nicht möglich, der Schaumkern würde kollabieren. Ein innovatives Schiebetischwerkzeug mit einem Kerndummy aus Stahl löst diese Herausforderung. Einfach ausgedrückt werden die thermoplastischen Deckschichten gegen eine stählerne Variante des Schaumkerns gepresst und geformt. Dann können Funktionselemente wie Rippen oder Schraubdome ohne Probleme angespritzt werden, der Kerndummy aus Stahl hält dem großen Druck stand. Der eigentliche Schaumkern wird erst danach ins Werkzeug gebracht und dort mit den Deckschichten gefügt.

Das Gesamtergebnis es Projekts: Auf einer Anlage und mit nur einem Werkzeug ist es den Partnern von MAI Sandwich gelungen, thermoplastische Sandwichstrukturen samt Funktionselementen in einem weitgehend automatisierten Prozess herzustellen. Und das für gleich mehrere Kunststoffe mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Neben einem hohen Automatisierungsgrad und beachtlichen Zykluszeiten (vollautomatisiert sind unter 2,5 Minuten für Automotiv-Materialien und unter 5 Minuten für Luftfahrtmaterialien zu erreichen) besticht der neuentwickelte Prozess dank der sortenreinen Bauteile durch ein hohes Recyclingpotenzial.

An dem vom Bundesministerium für Bildung- und Forschung geförderten Forschungsprojekt MAI Sandwich waren die Partner Airbus, BASF, BMW, Foldcore, Neenah Gessner, Neue Materialien Bayreuth, SGL Carbon, TU München – Lehrstuhl für Carbon Composites und Werkzeugbau Siegfried Hofmann beteiligt.

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