Superleichte Kopfstütze

Einleger aus Tepex senkt das Gewicht einer Kopfstütze um 30 %. Die Herstellung im Partikelschaum-Verbund-Spritzgießen verringert zudem die Teilezahl.

„Mit einem Einleger aus Tepex kann das Gewicht einer Kopfstütze für einen Kindersitz gegenüber einer herkömmlichen Variante um bis zu 30 Prozent gesenkt werden – und das bei vergleichbar guter Crash-Performance“, freut sich Dr. Klaus Vonberg, Leichtbauexperte in der Tepex Automotive Group bei Lanxess. „Außerdem vereinfacht sich der Fertigungsprozess“, erklärt er. Denn die Kopfstütze wird im Partikelschaum-Verbund-Spritzgießverfahren (PVSG) gefertigt.

Der endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoff der Marke Tepex wird von der in Brilon ansässigen Lanxess-Tochtergesellschaft Bond-Laminates entwickelt und produziert. Die Kopfstütze wurde als Demonstrator entwickelt, der das Einsatzpotenzial von Tepex auch im Leichtbau von strukturellen Sicherheitskomponenten aufzeigen soll.

Der Demonstrator ist das Ergebnis eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) geförderten Forschungsprojekts. Daran beteiligen sich das Institut für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung (SLK) der TU Chemnitz, das Unternehmen Polycomb aus Auengrund in Thüringen und der Kindersitzhersteller Avionaut aus Szarlejka in Polen, der den als Referenz dienenden Kindersitz produziert.

Die Projektpartner entwickelten für die Kopfstütze einen Fertigungsprozess auf Basis des PVSG. Sie griffen dabei zur lokalen Versteifung der Kopfstütze und zur Gewichtseinsparung auf einen zugeschnittenen Einleger aus Tepex Dynalite 104-FG290(4)/47 % zurück. Dabei handelt es sich um ein Polypropylen-basiertes, mit zwei Gewebelagen aus Endlosglasfaser-Rovings verstärktes Verbundmaterial. Der Einleger wird in einem Spritzgießwerkzeug mit Wendeplatte in einem Prozessschritt umgeformt und mit einem kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Compound hinterspritzt, um unter anderem die Tragstruktur für die Kopfstütze und Rückenlehne zu integrieren. Anschließend erfolgt in einem zweiten Werkzeug das Hinterschäumen des zuvor gefertigten Einlegers mit einem Partikelschaum auf Basis von expandiertem Polypropylen (EPP).

Die Referenzkopfstütze wird dagegen aus einzelnen Komponenten in Serie gefertigt. Die Tragstruktur besteht dabei aus langglasfaserverstärktem Polypropylen. Sie wird mit einer separat geschäumten EPP-Komponente mit vier Tragestiften aus Polypropylen zusammengebaut. „Der neue, hochintegrierte Fertigungsprozess ist im Vergleich zum bisherigen Verfahren nicht nur energieeffizienter, sondern ergibt direkt das fertige Bauteil. Insgesamt reduziert sich dadurch die Teilezahl von sechs auf ein Teil, was die Fertigungskosten senkt“, erläutert Norbert Schramm, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Chemnitz und dortiger Leiter des ZIM-Projektes.

Die Gewichtsersparnis bei der Kopfstütze liegt in der derzeitigen, glasfaserhaltigen Bauteilausführung bei etwa 26 %, ist aber noch nicht ausgereizt. Schramm: „Kommt im Verbundhalbzeug und im Spritzgießmaterial eine Verstärkung auf Basis von Kohlenstofffasern zum Einsatz, resultiert eine um fast 30 Prozent leichtere Baugruppe.“

Künftiger Einsatz auch bei anderen Baugruppen Lanxess sieht für Tepex und das neue PVSG-Verfahren gute Einsatzchancen auch in der Herstellung von Babyschalen oder von Rücken- und Armlehnen sowie Sitzschalen für neue Sitzkonzepte des autonomen Fahrens oder für Komfortsitze von Kleinbussen. Gerade Elektrofahrzeuge würden von leichtgewichtigen Sitzen profitieren. „Im Rahmen unseres Kundenservices Hi-Ant unterstützen wir Projektpartner bei Drapiersimulationen, der Werkzeugauslegung und geben Hinweise zum richtigen Handling des warmen, weichen Halbzeugzuschnitts. Außerdem helfen wir bei der Implementierung des Serienprozesses“, so Vonberg.

mg