Kunststoffe für den Leichtbau

Stapelfaserhybridgarne aus recycelten CFK-Fasern - (Bild: IKT).

Kunststoffe und Kunststoff-Hybride haben aufgrund ihrer sehr guten spezifischen mechanischen Eigenschaften ein hervorragendes Leichtbaupotenzial. Dies ist insbesondere im Sinne eines ressourcenschonenden Umgangs mit unserer Umwelt von Bedeutung und bietet vor allem im Transportwesen deutliche Möglichkeiten der Einsparung. Gerade die e-Mobilität verlangt explizit nach Leichtbaulösungen. An der Universität Stuttgart wird dementsprechend umfangreich an Leichtbaulösungen auf Basis von Kunststoffen geforscht.

Vor dem Hintergrund, dass die Herstellung von Hochleistungsbauteilen in der Regel die Kombination unterschiedlicher Werkstoffgruppen erfordert, forscht das Institut für Kunststofftechnik (IKT) in Kooperation mit dem Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart an einem Verfahren zur Herstellung von Hybridbauteilen aus Kunststoff und Aluminium. Hierbei gilt es den bereits realisierbaren Herstellungsprozess durch numerisches Abbilden des Umformprozesses zu optimieren. Hierfür werden ermittelte temperaturabhängige Werkstoffkennwerte aufbereitet und in eine Simulationssoftware implementiert. Die Ergebnisse zeigen dabei entscheidende Parameter und deren Einfluss auf die Prozessoptimierung auf.

Da Faserkunststoffverbunde (FKV) ein hohes Potenzial für die Auslegung und Gestaltung von energieeffizienten Leichtbaustrukturen bergen, die für viele Industriebereiche zunehmend an Bedeutung gewinnen, gleichzeitig jedoch die Problematik ihres Recyclings bisher nicht vollständig gelöst ist, arbeitet das IKT in Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugzeugbau (IFB) und dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf auch hier an einem neuen Produktionsansatz. Strukturbauteile sollen durch gleichzeitiges Umformen und Hinterspritzen von Preforms mit möglichst hohem Anteil an rezyklierten Fasern und Matrix hergestellt werden, ohne die Güte der mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Neuware drastisch zu beeinträchtigen. Dazu werden die Fasern besonders schonend zu neuen quasiendlosen Stapelfaserhybridgarnen aufbereitet. Das Hinterspritzen erlaubt zusätzlich eine Funktionsintegration im Bauteil mit dem Ziel einer Gewichtsreduktion sowie eines verringerten Montageaufwands.

Das Institut für Strahlenwerkzeuge (IFSW) hingegen untersucht neue Strategien zur schädigungsarmen Laserbearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Dank leichter Automatisierbarkeit und verschleißfreier Bearbeitung eignen sich Laser hervorragend zur industriellen Bearbeitung von CFK. Da sich jedoch die thermischen Eigenschaften der Carbonfasern wesentlich von denen des Matrixwerkstoffs unterscheiden, kann bei unvorteilhaften Bearbeitungsstrategien das die Carbonfasern umgebende Matrixmaterial verdampfen, wodurch Wärmeeinflusszonen entstehen, die den Verbund schädigen. Entsprechend werden am IFSW Lösungsstrategien für eine schädigungsarme Bearbeitung erarbeitet.

Das IFB beschäftigt sich mit einer numerischen Permeabilitätsvorhersage von Faserkunststoffverbunden mittels OpenFOAM. Aktuell werden für Füllsimulationen fast ausschließlich planare Permeabilitätswerte verwendet, da eine endkonturnahe Bestimmung im Werkzeug nur unter hohem Aufwand und für jedes Bauteil neu bestimmt werden müsste. Am IFB wird der neue Ansatz, den Lagenaufbau des Zielbauteils mesoskopisch abzubilden und virtuell mittels CFD-Löser zu durchströmen, verfolgt. Hierbei kann auch der Dual-Scale-Effekt, also das Umströmen und Durchströmen einzelner Rovings simuliert werden.

Gleichzeitig ergründet das IFB neue Wege zur Gewichtsreduktion und Funktionsintegration von Verbundwerkstoffen im Heißbereich. Hier kommen heutzutage noch häufig Titan- und Nickelbasislegierungen zum Einsatz. Durch Kombination geeigneter Faser- und Matrixwerkstoffe, Bauweisen und Fertigungsverfahren werden Verbundkonzepte abgeleitet und hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen untersucht. Im Beitrag auf dem 25. Stuttgarter Kunststoffkolloquium werden Matrixwerkstoffe mit erhöhter Temperaturbeständigkeit vorgestellt und anhand der Anforderungen aus Verarbeitung und Nutzung bewertet. In diesem Zusammenhang wird der Schwerpunkt vor allem auf der Untersuchung und Analyse von Basaltfasern als Verstärkungskomponente liegen, da diese als thermisch besonders geeignet gelten.

Weiterhin stellt das IFB auf dem Kolloquium die Untersuchung des Nasspressprozesses als Alternative zum Spritzpressen oder Harzinjektionsverfahren (RTM) vor. Im Nasspressprozess finden die Aufbringung und das Aushärten des Harzes in zwei unterschiedlichen Prozessschritten statt. Im Vergleich zum RTM erlauben diese beiden Faktoren potenziell kürzere Zykluszeiten aufgrund einer möglichen Parallelisierung beider Prozessschritte und der Verwendung hochreaktiver Harze. Um gute Laminatqualität im Nasspressprozess zu gewährleisten, muss bis zur vollständigen Bauteilaushärtung konstanter Druck auf die Matrize herrschen.

Diese und weitere aktuelle Forschungsaktivitäten und Erkenntnisse auf dem Gebiet der Hochleistungsextrusion werden im Rahmen des 25. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquiums vorgestellt.

Weitere Informationen:
www.stuttgarter-kunststoffkolloquium.de, www.ikt.uni-stuttgart.de

25. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 22.-23. März 2017, Stuttgart

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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