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Verbundwerkstoffe

Mit Thermoplast zum serientauglichen Sandwich

Mit thermoplastischen Materialien wird die Sandwich-Bauweise serientauglich. Ein Demonstrator zeigt das Potenzial der Thermoplast-Sandwich-Moulding-Technik.

Die Demonstrator-Klappe für ein Staufach in einer Lkw-Kabine entstand durch Thermoformen und Funktionalisieren von thermoplastischen Sandwichstrukturen. Diese Thermoplast-Sandwich-Moulding Technik erlaubt die Serienproduktion von Sandwichbauteilen.
Die Demonstrator-Klappe für ein Staufach in einer Lkw-Kabine entstand durch Thermoformen und Funktionalisieren von thermoplastischen Sandwichstrukturen. Diese Thermoplast-Sandwich-Moulding Technik erlaubt die Serienproduktion von Sandwichbauteilen.

Eine aus thermoplastischen Sandwich-Halbzeugen hergestellte Staufachklappe für einen Lkw-Innenraum demonstriert die enormen Potenziale der Thermoplast-Sandwich-Moulding-Technik für den Einsatz in der Großserie. Ein Konsortium aus Daimler Truck, Elring Klinger, Engel Austria, Thermhex Waben, Edevis und Fraunhofer-IMWS haben die serientaugliche Sandwich-Bauweise für die Staufachklappe entwickelt.

Vorteile der Sandwich-Bauweise

Die Sandwich-Bauweise bietet sich insbesondere für Leichtbau-Anwendungen an. Solche Sandwichstrukturen bestehen aus hochsteifen und -festen Deckschichten aus Faserverbundmaterialien und einem leichten Kern. Diese Kombination ermöglicht sehr hohe Biege- und Beulsteifigkeit bei geringem Gewicht. Sie ermöglicht eine Gewichtseinsparung von bis zu 70 % gegenüber monolithischen Strukturen – bei einer Belastbarkeit der Bauteile, die deutlich schwereren metallischen Bauteilen entspricht oder diese gar übertrifft.

Eine Herausforderung ist bisher, dass sich diese Bauteile kaum in großserientauglichen Fertigungsprozessen herstellen lassen. Hier kann die Verwendung von thermoplastischen Faserverbund-Sandwichhalbzeugen die Lösung sein. Diese lassen sich effizient in kontinuierlichen Verfahren herstellen und in automatisierten Verarbeitungsprozessen zu Bauteilen verarbeiten. Was damit möglich ist, haben die Beteiligten des Konsortiums im Projekt „HyWaSand“ gezeigt, das nun erfolgreich abgeschlossen wurde.

Als Demonstrator wurde eine Klappe für ein Staufach in einer Lkw-Kabine hergestellt. „Wir wollten nachweisen, dass die Sandwich-Bauweise mit kontinuierlich hergestellten thermoplastischen Sandwich-Halbzeugen für solche Anwendungen möglich ist. Das ist uns gemeinsam mit unseren Partnern gelungen“, sagt Dr.-Ing. Ralf Schlimper, der das Projekt am Fraunhofer IMWS geleitet hat.

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Serientauglich mit Thermoplastic-Sandwich-Moulding

Als besonders wertvoll auf dem Weg dahin erwies sich die am Institut entwickelte Thermoplastic-Sandwich-Moulding-Technik (TS-Moulding). Diese basiert auf einem neuartigen Thermoformprozess und wurde gezielt für die vollautomatisierte Fertigung von endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen mit thermoplastischer Matrix in Großserie entwickelt. Dabei werden die Sandwichhalbzeuge, bestehend aus einem thermoplastischen Wabenkern und Decklagen aus faserverstärkten thermoplastischen UD-Tapes, in einem Infrarot-Ofen aufgeheizt. Nach Erreichen der Umformtemperatur werden die Halbzeuge per Roboter in das Formgebungswerkzeug gelegt, dort 3D-thermogeformt und mittels Spritzgießen funktionalisiert.

Sandwich-Bauweise im Spritzgusstakt

„TS-Moulding hat sich in unserem Projekt als sehr leistungsfähig erwiesen. Wir konnten zeigen, dass damit die effiziente Herstellung von 3D-geformten und funktionalisierten Leichtbauteilen in Sandwich-Bauweise im Spritzgusstakt möglich ist, also mit Zykluszeiten von etwa einer Minute. Das zeigt die Potenziale für weitere Anwendungsfelder, etwa den Karosseriebereich“, sagt Schlimper.

Thermhex Waben beschäftigte sich im Projekt vorrangig mit der Entwicklung von hybriden Sandwich-Halbzeugen mit kleiner Zellweite und funktionalen Polymer- und Metallfolien zur Verbesserung der Oberflächenqualität. Zugleich wurde die kontinuierliche Fertigung von Sandwichhalbzeugen weiterentwickelt mit dem Ziel, den Materialeinsatz zu verringern. Im Ergebnis ließen sich bei den Halbzeugen so 30 bis 45 % des Gewichts bei gleicher Materialdicke einsparen, oder bis zu 22 % des Gewichts bei vergleichbarer mechanischer Performance.

Bauteile mit Class-A-Oberflächen möglich

Im Projekt konnte zudem nachgewiesen werden, dass sich aus thermoplastischen Halbzeugen in Sandwich-Bauweise auch Bauteile mit Class-A-Oberflächen fertigen lassen, die für die Automobilindustrie besondere Bedeutung haben. Auch für Metall-Kunststoff-Hybrid-Sandwiche wurden im Rahmen Fortschritte erzielt, so gelang bspw. das Kaschieren von mit metallischen Deckschichten innerhalb des TS-Moulding-Prozesses.

„Wir untersuchen aktuell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf kundenseitige Entwicklungsprojekte, um so den Eintritt des Thermoplastic-Sandwich-Moulding in neue Marktsegmente zu ermöglichen“, sagt Matthias Biegerl, der das Projekt bei Elring Klinger leitete. „Das Potenzial ist groß. Durch eine Fertigung der Sandwich-Bauteile in Großserie können kosteneffiziente Leichtbaustrukturen für Interieur- und Karosseriebauteile hergestellt werden.“ mg

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