Emissionsarmes Polyamid für das DLFT-Fließpressen

Hochbelastbare Sandwichstrukturen mit PA6

Pressverfahren für faserverstärkte thermoplastische Matrices gewinnen im Leichtbau von Automobilen an Bedeutung. Sie eignen sich gut, um großflächige, aber leichte Bauteile in einem maßgeschneiderten Materialmix mit kurzen Zykluszeiten wirtschaftlich herzustellen - aufgrund vergleichsweise niedriger Werkzeugkosten auch bei kleinen bis mittleren Stückzahlen. Erforderlich sind angepasste Thermoplaste, um die Verfahrensvorteile optimal ausschöpfen zu können.

Anwendung des neuen DLFT-Polyamids in der Serienfertigung: Voestalpine Plastics Solutions hat es auf einem Serienwerkzeug für Polypropylen-basiertes GMT zu einer Kofferraummulde für den Sportwagen eines deutschen Herstellers verarbeitet.

Um Metallsubstitution und Leichtbau, konstruktive Freiheiten und wirtschaftliche Zykluszeiten zu realisieren, müssen die eingesetzten Werkstoffe auf das Verfahren abgestimmt sein. So bietet die Lanxess-Tochtergesellschaft Bond-Laminates für den Fließpressprozess endlosfaserverstärkte Composites namens Tepex Dynalite an. Die Composite-Halbzeuge auf Polypropylen- oder Polyamid-Basis lassen sich als Decklagen einsetzen, um besonders belastete Bauteilbereiche gezielt zu verstärken. Sie können mit verschiedenen Fließpress- und Umformmaterialien kombiniert werden - etwa mit langglasfaserverstärkten Thermoplasten aus dem Direktverfahren (DLFT), glasmattenverstärkten Thermoplastsystemen (GMT) und glasfaserverstärkten, thermoplastischen Mischfaservliesen (Low Weight Reinforced Thermoplastics, LWRT). Das Ergebnis seien Sandwich-Strukturen, die die Steifigkeit, Festigkeit und Energieaufnahme eines Pressbauteils um ein Mehrfaches steigern können. Der Konstrukteur habe dadurch eine weitere Stellschraube, um die mechanische Leistung seines Bauteils markant zu verbessern und einen maßgeschneiderten Materialmix zu erreichen. Außerdem können verschiedene Ausführungen eines Bauteils in einem Werkzeug gefertigt werden - etwa einfache DLFT-Unterbodenverkleidungen und davon abgeleitete, lokal mit Tepex verstärkte Bauteilvarianten für Schlechtwege-Länder.

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PA versus PP – rauchgasfrei und KTL-geeignet
Außerdem wurde ein neues, hitzestabilisiertes Polyamid 6 für das DLFT-Fließpressen entwickelt. Es soll im Vergleich zu herkömmlichen Langfaser-Pressmassen auf Basis von PA 6-Basis besser fließen und bei Extrusionstemperaturen von 280 bis 300 Grad Celsius rauchgasfrei verarbeitbar sein. Der Werkstoff erweitere das Einsatzspektrum des Verfahrens, das bisher von Polypropylen dominiert wurde, um Anwendungen, die typische Vorteile von Polyamid 6 mitbringen müssen. Im Vergleich zu Polypropylen ist PA 6 zudem bei höheren Temperaturen stabil und übersteht die Temperaturen der Lacktrocknung nach der kathodischen Tauchlackierung (KTL). So können im Pressverfahren neue Anwendungsfelder erschlossen werden, die bisher dem Spritzguss vorbehalten waren.

Hohe Festigkeit und Zähigkeit von Tepex sollen der Abschirmung, die als Unterbodenschutz Steinschlägen ausgesetzt sind und im Extremfall bei schlechter Straßenbeschaffenheit aufsetzen kann, hohe Robustheit und günstige Impact-Eigenschaften verleihen.

Seine Eignung für die Serienfertigung habe das neue DLFT-Polyamid bereits bewiesen. Voestalpine Plastics Solutions hat es nach eigenen Angaben problemlos auf einem Serienwerkzeug für Polypropylen-basiertes GMT zu einer Kofferraummulde für den Sportwagen eines deutschen Herstellers verarbeitet. Weitere denkbare Anwendungen sind beispielsweise Strukturbauteile in der Rohkarosserie, Reserveradmulden oder hitzebelastete Komponenten in der Nähe des Motors oder der Abgasanlage wie Unterbodenteile.

Bauteile aus Tepex selber rechnerisch auslegen

Neben optimierten Werkstoffen und Verfahren sind entsprechende Berechnungswerkzeuge erforderlich, um die Bauteile technisch und wirtschaftlich zu gestalten. Im Rahmen seines Hiant-Servicepakets bietet Lanxess deshalb eine Simulationslösung an, mit der die Anwender selbständig – in ihrer eigenen CAE-Umgebung – Bauteile aus den endlosfaserverstärkten thermoplastischen Hochleistungs-Composites Tepex mechanisch auslegen können.

Lanxess hat nach eigenen Angaben in den letzten Jahren die Berechnungsmethoden für die Thermoplaste Durethan und Pocan sowie für die Composites Tepex stetig weiterentwickelt und diese CAE-Kompetenz in der Marke Hiant gebündelt. So wurde speziell für Tepex ein Materialmodell entwickelt, das das komplexe anisotrope mechanische Verhalten dieser endlosfaserverstärkten Thermoplaste präzise beschreibt. Darüber hinaus wurde eine Simulation aufgebaut, die eine genaue Analyse der Umformung des plattenförmigen Tepex-Halbzeugs in die endgültige Bauteilkontur, auch Drapierung genannt, ermöglicht. Die Orientierung der Faser nach der Drapierung ist ein wichtiger Punkt für die mechanische Bauteilberechnung. Diese CAE-Tools werden weltweit in der HPM-Anwendungsentwicklung eingesetzt, um hochbeanspruchte Bauteile gemeinsam mit Kunden auf die jeweiligen Anforderungen auszulegen, möglichst leicht und kostenoptimiert. Neben diesem kompletten Berechnungsservice durch Lanxess im Rahmen gemeinsamer Entwicklungsprojekte war es aber auch ein vielfacher Kundenwunsch, aus Tepex selbständig in der jeweils eigenen CAE-Umgebung verlässlich auslegen zu können. In Kooperation mit E-Xstream, dem Hersteller der kommerziellen CAE-Software Digimat, wurde daher eine zusätzliche Lösung entwickelt, bei der das mechanische Materialverhalten des Tepex über Digimat in der Simulation abgebildet wird. Diese Lösung steht nun als Plug-in für die gängigen CAE-Codes zur Verfügung. Für den Anwender ist so der Vorteil gegeben, dass er auf die gleiche leistungsfähige Materialbeschreibung unabhängig von Solver und Berechnungsart zugreifen kann. Die Entwicklungspartner erhalten eine auf Tepex abgestimmte und validierte Digimat-Materialkarte. Sie profitieren, so der Anbieter, zudem vom vorhandenen Hiant-Know-how der Bereiche CAE, Werkstoff- und Bauteilprüfung. Damit haben sie die Sicherheit, auch bei komplexen Simulationen umfassend und kompetent unterstützt zu werden.

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