Fraunhofer ICT: Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe für neue Sicherheit im Fahrzeugbau

Crashbauteile im Auto können über Leben und Tod entscheiden. Bei Unfällen müssen sie die Energie auffangen, um den Fahrer im Inneren zu schützen. Forscher haben die Herstellung einer besonders sicheren Werkstoffklasse für die Automobilindustrie serientauglich gemacht: thermoplastische Faserverbundbauteile.

Früher bestand ein Fahrzeug zum größten Teil aus Stahl. Doch längst hat dieser Rohstoff Konkurrenz bekommen: Moderne Wagen werden aus einem Materialmix aus Stählen, Aluminium und faserverstärkten Kunststoffen gebaut. Hochbeanspruchte Tragstrukturen oder Crashbauteile, die sich bei einem Aufprall zusammenfalten, dienen der Verstärkung der Karosserie. Sie schützen die Insassen bei einem Unfall. Bisher verwendeten Autobauer dafür Verbundwerkstoffe mit einer duroplastischen, also unschmelzbaren Matrix. Allerdings lassen sich diese nur schwer effi zient in Serie fertigen. Außerdem können sie die Gesundheit gefährden: Bei einem Unfall "delaminiert" dieser Werkstoff in scharfkantige Splitter. Zudem kann man Duroplaste nicht wiederverwerten. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal haben diese Probleme nun nach eigenen Angaben gelöst und eine neue Werkstoffklasse für den Großeinsatz im Fahrzeugbau entwickelt: thermoplastische Faserverbundwerkstoffe. Haben sie ausgedient, kann man sie zerkleinern und aufschmelzen und so erneut zu hochwertigen Bauteilen umformen. Und im Crashtest geben sie eine deutlich bessere Figur ab. Bei einem Unfall nehmen die thermoplastischen, mit textilen Strukturen verstärkten Bauteile die enormen Kräfte auf, indem sich der Matrixwerkstoff zähelastisch verformt - ohne dabei zu splittern.

Bisher existierte für thermoplastische Verbundstrukturen aus Hochleistungsfasern noch kein geeignetes Herstellungsverfahren. Doch die ICT-Ingenieure haben jetzt einen großserientauglichen Prozess entwickelt, mit dem sich bis zu 100 000 Bauteile jährlich herstellen lassen. "Unser Verfahren bietet vergleichsweise kurze Fertigungszeiten", sagt Dieter Gittel, Projektleiter am ICT. "Die Zykluszeit zum Herstellen von thermoplastischen Bauteilen beträgt nur etwa fünf Minuten. Bei vergleichbaren duroplastischen Bauteilen sind es oft mehr als zwanzig Minuten." Thermoplastisches-RTM (T-RTM) nennen die Fraunhofer-Forscher ihr Verfahren. Es leitet sich aus dem gebräuchlichen RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) für duroplastische Faserverbundwerkstoffe ab. Die Verbundbildung erfolgt in nur einem Schritt. "In ein temperiertes Formgebungswerkzeug legen wir die vorgewärmte Textilstruktur ein. Und zwar so, dass die orientierten Faserstrukturen entsprechend der zu erwartenden Belastung abgelegt sind. Dadurch ist es möglich, sehr leichte Bauteile herzustellen", erklärt Gittel. Als Verstärkung dienen vorzugsweise Carbonoder Glasfasern. Dabei haben die Wissenschaftler spezielle Strukturen entwickelt. Anschließend injiziert man in die Formkammer die aktivierte Monomerschmelze. Darin befi ndet sich ein Katalysator- und Aktivatorsystem – chemische Substanzen, die für die Polymerisation notwendig sind. Der Clou: Die Forscher wählen das System und die Verarbeitungstemperatur so aus, dass sie die minimal erforderliche Verabeitungsdauer einstellen können.

Ein Demonstrationsbauteil belegt die Vorteile der neuen Werkstoffklasse: Der Kofferraumeinleger für den Porsche "Carrera 4" wiegt im Vergleich zum originalen Aluminiumbauteil bis zu 50 Prozent weniger. Um das Crashverhalten der gesamten Fahrzeugstruktur zu verbessern, haben die ICT-Ingenieure zudem die optimale Faserablage berechnet. Und noch einen Vorteil bringt das T-RTM-Verfahren: Die Kosten für das thermoplastische Matrixmaterial sowie für dessen Verarbeitung sind bis um die Hälfte niedriger als für duroplastische Strukturen. Es ist zu erwarten, dass in den nächsten Jahren derartige Bauteile im Fahrzeug- und Maschinenbau sowie auch der Freizeitindustrie zur Anwendung kommen werden. Den Kofferraumeinleger für den Porsche "Carrera 4" zeigen die Experten auf der Messe Composites Europe.

Composites Europe , 14.-16.10.2010, Essen, Halle 12, Stand C33

Weitere Informationen: www.ict.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie, Pfinztal

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