Leichtbau mit Kunststoff

T-RTM – in der Kombination liegt die Innovation

Endlosfasern, kurze Zykluszeiten, Schweiß- und Recyclingfähigkeit – das Verfahren T-RTM soll die Vorteile von Reaktionstechnik, thermoplastischen Werkstoffen und der Formgebung im Spritzpress-Verfahren (Resin Transfer Molding, RTM) kombinieren und den Leichtbau voranbringen. Zur K 2016 soll die Herstellung eines automobilen Faserverbund-Strukturbauteils mit Metalleinlegern unter Serienbedingungen gezeigt werden.

Leichtbausportwagen mit viel CfK: Der Roding Roadster R1. (Bilder: Kraussmaffei)

Ein vorgeformtes Halbzeug aus Faserlagen wird in einem Presswerkzeug mit Caprolactam infiltriert, das unmittelbar zuvor aus zwei Komponenten (Caprolactam-Grundstoff plus Aktivator beziehungsweise Katalysator) aufgeschmolzen und gemischt wurde. In einer chemischen Reaktion härtet es in der Kavität zum Thermoplast Polyamid 6 aus. Der Roadster-Dachrahmen basiert auf einer hybriden Bauweise aus Fasern in Verbindung von Kunststoff und Metall. Bei der Herstellung auf dem Kraussmaffei Messestand dauere der Vorgang nur rund zwei Minuten. Die Anlage ziele auf Großserienprojekte und sei für den Mehrschicht-Betrieb ausgelegt.

Die Vorzüge von T-RTM erschließen sich im Vergleich mit den Nachbarverfahren der Kunststoffverarbeitung, etwa dem bekannten RTM mit Epoxidharz oder Polyurethan  (PUR). Dank niedriger Viskosität von 5 Millipascalsekunden (mPA·s) – ähnlich wie Wasser – durchdringe das Matrixmaterial Caprolactam das Fasergelege auch bei geringen Werkzeug-Innendrücken. So genüge bei der Messeanwendung eine Schließkraft von etwa 3 500 Kilonewton, was geringe Investitions- und Energiekosten bedeutet. Zudem seien wegen der hohen Fließfähigkeit geringe Mindestwanddicken und ein hoher Faservolumengehalte um 60 Prozent möglich.

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Weniger Material und einfachere Nachbearbeitung

Mit dem Near-Net-Shape Ansatz, also einer konturnahen Fertigung, reduziert sich die Materialeinsatzquote von Kunststoff und den teuren Carbonfasern. Das reduziert die Materialkosten. Zudem minimieren sich auch die Nachbearbeitungsschritte. Während bei nicht endkonturnahen Prozessen das Bauteil zum Beispiel durch Fräsen vom Randbereich getrennt werden muss, löst es sich laut Unternehmen beim ausgewählten Bauteil über einen thermoplastischen Abreißrand aus der Form. Neben dem Near-Net-Shape-Ansatz führt das Multi-Preformkonzept zu einer weiteren Reduktion des Faserverschnitts und ermöglicht zudem eine sektionsweise belastungsgerechte Faserarchitektur.

Gegenüber den dreidimensional vernetzenden Duroplasten bieten die kettenförmig aufgebauten Thermoplaste zudem ein Alleinstellungsmerkmal: Sie lassen sich erneut erwärmen und umformen, was sie schweiß- und recyclingfähig macht. Das Material des Dachrahmens kann regranuliert und mit seinem Faseranteil für die Herstellung von Teilen im Spritzgießverfahren genutzt werden.

Auch die mechanischen Eigenschaften von PA6 sind für Strukturbauteile interessant. Der Thermoplast bietet hohe Schlagzähigkeit und zeigt ein duktileres Bruchverhalten als Duroplaste. Vor einem Bruch können Kräfte durch Verformung des Materials absorbiert werden.

Vergleicht man T-RTM mit dem Spritzgießen, dem klassischen Einsatzgebiet von Thermoplasten, zeige es seine Vorteile auch beim hohen Fasergehalt sowie der niedrigen Viskosität, durch die Teile mit sehr geringen Wanddicken hergestellt werden können.

Somit sieht Kraussmaffei T-RTM als Ergänzung zu bisher bekannten RTM-Technologien bei der Produktion von Strukturbauteilen. Eine aktuelle Innovation ziele darauf, den Aufschmelzprozess bedarfsgerechter (on demand) zu gestalten, um die Materialalterung positiv zu beeinflussen.

An der Fertigung des Technologiedemonstrators Roding Roadster R1 waren neben Kraussmaffei mehrere Partner involviert: Forward Engineering lieferte Bauteildesign und Hybridkonzept, Alpex Technologies das T-RTM-Werkzeug, Dieffenbacher produzierte die Preforms und das Handlingsystem und Saertex die Fasergelege, Henkel sorgte für die Verklebung, Handtmann lieferte Aluminium-Einleger, TUM / LCC war für die Faserauswahl zuständig und Keller für die Absaugtechnik.

K 2016, Halle 15, Stand B27

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