Neue Maßstäbe für den Leichtbau

Einmalige Verarbeitungsleistungen und -geschwindigkeiten bei der Herstellung von UD-Tapes ermöglicht eine Anlage von Krauss Maffei Berstorff am Fraunhofer PAZ.

Die am Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -Verarbeitung PAZ gemeinsam mit dem Maschinenbauunternehmen Krauss Maffei Berstorff entwickelte Anlage eröffnet vielfältige neue Anwendungsfelder für den Leichtbau. Am 3. Mai 2018 wird die UD-Tape-Anlage offiziell in Betrieb genommen. Vorab können sich Gäste auf der Messe JEC World in Paris bereits vom 6. bis 8. März über die Leistungsfähigkeit der Anlage informieren.

UD-Tapes sind Bänder mit unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern, beispielsweise aus Glas oder Kohlenstoff, die in eine thermoplastische Matrix eingebettet werden. Im Weiterverarbeitungsprozess werden die Tapes so aufeinander gelegt und fixiert, dass die Fasern in Lastrichtung (unidirektional) orientiert und somit speziell auf den Lastfall des Bauteils abgestimmt sind – genau an den Stellen eines Bauteils, die besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, können lokal weitere Lagen eingebracht werden. Durch diese optimale Kombination werden die ans Bauteil gestellten Anforderungen an Steifigkeiten und Festigkeiten bei deutlich geringerem Bauteilgewicht erreicht. Die Eigenschaften der UD-Materialien übertreffen dabei die von Metallen in einigen Bereichen deutlich.

Die aus mehreren UD-Tape-Schichten bestehenden Laminate bieten enorme Vorteile für die Verarbeitung: Durch ihre Belastbarkeit können sie als Konstruktionswerkstoffe eingesetzt werden und ermöglichen neue Bauteilgeometrien. Sie sind für Thermoumformung geeignet, durch Überspritzen ist zudem die Integration weiterer Funktionen oder Komponenten möglich, sodass Hybridmaterial-Lösungen entstehen. Im Vergleich zu anderen Methoden bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen (FVK) bieten sie kürzere Produktionszeiten, schnellere Pre-Preg-Prozesse und zudem ein höheres Recyclingpotenzial als duroplastische Lösungen.

"Mit dieser Anlage steht am Fraunhofer PAZ die größte Schmelzimprägnieranlage weltweit zur Verfügung, die immenses Potenzial für Leichtbau-Entwicklungen der kommenden Jahre hat. Gemeinsam mit unserem strategischen Partner Krauss Maffei Berstorff setzen wir damit bei der Fertigung von lasttragenden Bauteilen in Leichtbauweise neue Maßstäbe", sagt Prof. Ralf B. Wehrspohn, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS.

Die Herstellung der UD-Tapes erfolgt mittels Schmelze-Benetzung aus Endlosfasern, die unter Spannung über eine Spreizeinrichtung geführt werden, um ein möglichst homogenes und dünnes Faserbett zu erhalten. Auf einer maximalen Breite von 500 Millimetern werden die Fasern im Faserbett mit einem Matrixkunststoff benetzt. Im weiteren Verlauf des Fertigungsprozesses wird das Tape gekühlt, randbeschnitten und auf Rollen aufgewickelt. Die in mehreren Schichten zu Organoblechen aufgebauten Laminate stehen zur Weiterverarbeitung in den genannten Hybridprozessen zur Verfügung.

"Die UD-Tape-Anlage erlaubt eine Herstellungsgeschwindigkeit von bis zu 20 Metern pro Minute bei Verarbeitungstemperaturen bis 350 °C und bietet einmalige Möglichkeiten und Variationsbreiten. Schmalere Tapes sind beispielsweise in dieser Anlage durch eine Inline-Schneidevorrichtung realisierbar. Mit dieser Verarbeitungstechnologie erschließen wir ein neues Marktsegment und erweitern unsere Kompetenzen", sagt Matthias Sieverding, President des Segments Extrusionstechnik der Krauss Maffei-Gruppe.

Auch Prof. Peter Michel, Leiter des Geschäftsfelds Polymeranwendungen am Fraunhofer IMWS, hebt die Flexibilität und Geschwindigkeit der neuen Anlage hervor: "Dank der engen Zusammenarbeit mit Krauss Maffei Berstorff können wir unseren Kunden vielfältige Varianten der Herstellung von unidirektional verstärkten Thermoplasten ermöglichen. Durch die spezielle geometrische Gestaltung unseres Werkzeugs ist nicht nur eine hocheffiziente Imprägnierung der Fasern möglich, sondern wir erreichen auch anpassbare Tape-Dicken, Druckgradienten und Imprägnierlängen im Benetzungswerkzeug."

Die Technologie ist für die Fertigung in der Großserie geeignet – ein wichtiger Aspekt etwa für die Automobilindustrie. Dort können dank neuer, leistungsfähiger Leichtbau-Werkstoffe auf Basis von UD-Tapes das Fahrzeuggewicht und damit der Schadstoffausstoß verringert werden.

sl