29.04.2013, Düsseldorf

 

Serientaugliche Fertigung von Hochleistungs-Faserverbundbauteilen mit Polyurethanmatrix

 
 
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Zusammenarbeit revolutioniert den Fahrzeugbau

Henkel hat ein neues Polyurethanharzsystem für das Resin Transfer Molding (RTM) Verfahren zur schnellen Fertigung von Bauteilen in der Automobilindustrie entwickelt. Das Know-How von Henkel auf dem Gebiet der polyurethanbasierten Matrixharze und die Expertise von KraussMaffei, dem weltweit führenden Hersteller von Maschinen zur Kunststoffverarbeitung, passen perfekt zusammen. Das Resultat: Härtungszeiten von einer Minute sind nun möglich, ein deutlicher Fortschritt für die schnelle und effiziente Großserienfertigung von Faserverbundbauteilen.

Getrieben durch die Ziele zur Verbrauchseffizienz und die damit verbundenen Leichtbauanforderungen sind faserverstärkte Verbundbauteile ein zunehmend wichtiges Element in den Multi-Material-Konzepten moderner Fahrzeuge. Hohe Festigkeiten verbunden mit geringem Gewicht machen glas- und kohlenstoff-faserverstärkte Werkstoffe für den Fahrzeugkomponentenbau attraktiv. Als Herstellverfahren für die Großserie sind dabei Injektionsverfahren wie RTM besonders bedeutend.

Henkel hat seine Erfahrungen zur Matrixharzentwicklung für Komposite gezielt mit Grundlagenentwicklungen aus den Segmenten Klebstoffe und Oberflächenmodifizierung kombiniert, so dass ein vollständiges und angepasstes System für die Herstellung und Integration von Kompositen ins Automobil vorliegt.

Loctite MAX 2 besitzt im Vergleich zu den üblichen Epoxidharzen für RTM eine sehr attraktive Kombination aus guter Mechanik und hoher Schadenstoleranz. Tabelle 1 zeigt einige ausgewählte Kenngrößen des Reinharzes.

Reinharzeigenschaften Polyurethan Matrixharz
Zugmodul [MPa] 2800
Zugfestigkeit [MPa] 80
Elongation [%] 5-10
Glasübergangstemperatur [°C] 115*
Kritischer Spannungsintensitätsfaktor K1c [MPa*m0.5] 1.2

* nach Tempern
Tabelle 1: Eigenschaften des gehärteten Reinharzes.

Hohe Zähigkeit bewirkt eine längere Lebensdauer
Die Besonderheit des Polyurethan Matrixharzes zeigt sich im außerordentlich hohen Spannungsintensitätsfaktor, der ein Maß für die Zähigkeit ist. Die spezifischen Wechselwirkungen der Polyurethanmoleküle, welche zusätzlich zur chemischen Vernetzung wirken, tragen zu dieser Eigenschaft bei.

Diese ausgezeichnete Zähigkeit wirkt sich unter anderem auch positiv auf das Ermüdungsverhalten unter Last aus: Die hohe Toleranz gegen Spannungsspitzen lässt kritische Risse später entstehen und führt so zu einer längeren Lebensdauer. Gerade im Automobil, welches im Fahrbetrieb ständig dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, sind Materialien mit einer hohen Ermüdungstoleranz notwendig, um das Leichtbaupotential möglichst vollständig ausschöpfen zu können.

Doch nicht nur die Materialeigenschaften sind wichtig: In der Serienproduktion von Automobilen geht es vor allem um Geschwindigkeit, und das RTM Verfahren ist ein Verfahren, welches kurze Taktzeiten ermöglichen kann.

In Grafik 2 ist das Viskositätsverhalten von Loctite MAX 2 dargestellt. Die extrem niedrigen Viskositäten, auch bei niedriger Temperatur, erlauben eine sehr schnelle Harzinjektion ohne Faserverzug bei gleichzeitig guter Benetzung – selbst bei einem hohen Faser-Volumen-Gehalt.

Schnelle Aushärtung selbst bei hohen Bauteilstärken
Zudem ermöglicht die Polyurethanchemie eine kontrollierbare und damit sichere Steuerung der Härtungsreaktion sowohl durch Temperaturanpassung als auch mit zusätzlichem Beschleuniger. Die generell niedrige Wärmeentwicklung bei der Aushärtung ermöglicht selbst bei hohen Bauteilstärken mit vielen Faserschichten eine schnelle Härtung und verringert das Risiko von lokalen Überhitzungen sowie den damit verbundenen Fehlstellen.

Verbesserungen im Hinblick auf schnelle und sichere Herstellung von Komposit-Teilen ist das erklärte Ziel in der Zusammenarbeit von Henkel und KraussMaffei.

Henkel und KraussMaffei  haben durch ihre Zusammenarbeit erfolgreich gezeigt, dass mit dem neuen Harzsystem auf Hochdruck-RTM-Anlagen eine deutliche Reduktion der Produktionszeit zu erzielen ist. Loctite MAX 2 härtet wesentlich schneller aus als die vergleichbaren Epoxid-Harze, die derzeitig hauptsächlich im RTM-Verfahren genutzt werden. Am Beispiel eines konkreten dreidimensional geformten Bauteils konnte eine Härtungszeit von einer Minute realisiert werden. Die verwendeten Maschineneinstellungen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Injections Parameter Polyurethan Matrixharz
Fasern 4 Lagen CF Gewebe 300 g/m2
Formtemperatur 120°C
Injektionszeit 4 sek
Harzinjektionsrate 70 g/sek
Zeit bis zur Entformung 1 min

Tabelle 2: RTM-Prozess Paramater für die Herstellung des Polyurethan-Komposit-Bauteils.

Das Harz wurde in die vorgeheizte und evakuierte Form injiziert und nach einer Minute entnommen. Der Faservolumenanteil betrug etwa 50 Prozent, wobei unabhängig vom Laminataufbau kein Faserverzug erkennbar war. Das Befräsen in die endgültige Form erfolgte direkt nach dem Abkühlen der Bauteile.

Angepasste Maschinentechnik für Polyurethan-RTM
Auch wenn Hochdruck-PUR-Verarbeitung und Hochdruck-RTM schon den Stand der Technik beschreiben, erfordert das PUR-RTM Anpassungen an der Maschinentechnik. Aufbauend auf dem Verarbeitungs-Know-How von Henkel optimierten die Ingenieure von KraussMaffei die bewährten Misch- uns Dosierstationen sowie die Mischköpfe weiter, um die hochgenaue Dosiertechnik und damit die Prozessführung im Hochtemperatur-Niveau zu verbessern. Das Ergebnis zeigt sich auch am Bauteil: Hervorragende Mischgüte der Komponenten unter Hochdruck sichert homogene Produkteigenschaften ohne Lufteinschlüsse. Damit stehen für die Serienproduktion geeignete und bewährte Systeme zur Verfügung.

Vollständig wird eine Anwendungslösung für die Automobilindustrie allerdings erst durch die Integration in ein Gesamtpaket. Entsprechend bietet Henkel individuell formulierte Klebstoffe, so dass eine sichere Integration der unterschiedlichen Bauteil-Materialen im Rahmen moderner Multimaterialkonzepte gewährleistet ist.

Neue Möglichkeiten für die Serienproduktion
Die polyurethanbasierte Matrixharztechnologie Loctite MAX 2 bietet ein sehr attraktives, auf die Erfordernisse der Automobilindustrie abgestimmtes Eigenschaftsprofil. Eine gute Handhabbarkeit im RTM-Verfahren verbunden mit niedriger Injektionsviskosität und Kontrolle der Härtungsgeschwindigkeit ermöglicht in der Kompositfertigung kurze Zykluszeiten (< 5 min). Die exzellente intrinsische Zähigkeit des Harzes führt zu hoher dynamischer Belastbarkeit und Ermüdungstoleranz.

Die Kombination von Loctite MAX 2 mit Glas- oder Karbonfasern eröffnet neue Möglichkeiten zur kosteneffizienten Serienproduktion von Leichtbauteilen in der Automobilindustrie. Erste Anwendungen sind derzeit in der Kommerzialisierungsphase.