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Forscher machen thermoplastische Faserverbundbauteile serientauglich

Thermoplastische Faserverbundbauteile: Forscher vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal haben nun die Herstellung dieser sicheren Werkstoffklasse für die Automobilindustrie serientauglich gemacht. Mit einem Demonstratorbauteil können die Forscher nach eigenen Angaben bereits die Vorteile der neuen Werkstoffklasse belegen: Bei dem Bauteil handelt es sich um einen Kofferraumeinleger für den Porsche 911 Carrera 4, das im Vergleich zum originalen Bauteil bis zu 50 Prozent weniger wiegt.

Früher bestand ein Fahrzeug zum größten Teil aus Stahl. Doch längst hat dieser Rohstoff Konkurrenz bekommen. Denn moderne Pkw werden mithilfe eines Materialmixes aus Stählen, Aluminium und faserverstärkten Kunststoffen gebaut. Hochbeanspruchte Tragstrukturen oder Crash-Bauteile, die sich bei einem Aufprall zusammenfalten, dienen der Verstärkung der Karosserie. Sie schützen die Insassen bei einem Unfall. Bisher verwendeten Automobilhersteller dafür Verbundwerkstoffe mit einer duroplastischen, also unschmelzbaren Matrix. Diese lassen sich allerdings nur schwer effizient in Serie fertigen. Außerdem können sie die Gesundheit gefährden: Bei einem Unfall "delaminiert" dieser Werkstoff in scharfkantige Splitter. Auch sind Duroplaste nicht wiederverwertbar. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal haben diese Probleme nun gelöst und eine neue Werkstoffklasse für den Großeinsatz im Fahrzeugbau entwickelt: thermoplastische Faserverbundwerkstoffe. Hat das Material ausgedient, lässt es sich zerkleinern und aufschmelzen und so erneut zu hochwertigen Bauteilen umformen. Auch im Crash-Test geben die thermoplastischen Faserverbundwerkstoffe laut ICT eine bessere Figur ab. Bei einem Unfall nehmen die thermoplastischen, mit textilen Strukturen verstärkten Bauteile die enormen Kräfte auf, indem sich der Matrixwerkstoff zähelastisch verformt - ohne dabei zu splittern.

Bisher existierte für thermoplastische Verbundstrukturen aus Hochleistungsfasern noch kein geeignetes Herstellungsverfahren. Doch die ICT-Ingenieure haben jetzt einen großserientauglichen Prozess entwickelt, mit dem sich bis zu 100.000 Bauteile jährlich herstellen lassen. "Unser Verfahren bietet vergleichsweise kurze Fertigungszeiten", sagt Dieter Gittel, Projektleiter am ICT. "Die Zykluszeit zum Herstellen von thermoplastischen Bauteilen beträgt nur etwa fünf Minuten. Bei vergleichbaren duroplastischen Bauteilen sind es oft mehr als zwanzig Minuten." Thermoplastisches-RTM (T-RTM) nennen die Fraunhofer-Forscher ihr Verfahren. Es leitet sich aus dem gebräuchlichen RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) für duroplastische Faserverbundwerkstoffe ab. Die Verbundbildung erfolgt in nur einem Schritt. "In ein temperiertes Formgebungswerkzeug legen wir die vorgewärmte Textilstruktur ein. Und zwar so, dass die orientierten Faserstrukturen entsprechend der zu erwartenden Belastung abgelegt sind. Dadurch ist es möglich, sehr leichte Bauteile herzustellen", erklärt Gittel. Als Verstärkung dienen vorzugsweise Carbon oder Glasfasern. Dabei haben die Wissenschaftler spezielle Strukturen entwickelt. Anschließend injiziert man in die Formkammer die aktivierte Monomerschmelze. Darin befindet sich ein Katalysator- und Aktivatorsystem - chemische Substanzen, die für die Polymerisation notwendig sind. Der Clou dabei ist, so wird erklärt, dass die Forscher das System und die Verarbeitungstemperatur so auswählen, dass sie die minimal erforderliche Verarbeitungsdauer einstellen können.

Ein Demonstrationsbauteil belegt die Vorteile der neuen Werkstoffklasse: Der Kofferraumeinleger für den Porsche Carrera 4 wiegt im Vergleich zum originalen Aluminiumbauteil bis zu 50 Prozent weniger. Um das Crash-Verhalten der gesamten Fahrzeugstruktur zu verbessern, haben die ICT-Ingenieure zudem die optimale Faserablage berechnet. Und noch einen Vorteil bringt das T-RTM-Verfahren: Die Kosten für das thermoplastische Matrixmaterial sowie für dessen Verarbeitung sind bis um die Hälfte niedriger als für duroplastische Strukturen. Es ist zu erwarten, dass in den nächsten Jahren derartige Bauteile im Fahrzeug- und Maschinenbau sowie auch der Freizeitindustrie zur Anwendung kommen werden.
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