Seit Oktober 2020 ist Warden Schijve Teil des AZL-Engineering-Teams und baut den Bereich für Produkt- und Anwendungsentwicklung im Leichtbau weiter aus.

Glasfasern / -matten

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Kohlenstofffasern / -matten

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Kunststoff-Rezyklat

Fasern

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Kunststoff-Halbzeuge

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

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Werkzeuge für Faserverarbeitung

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststofffasern

Neues Mitglied im AZL-Engineering-Team

CFK-Bauteile sind häufig unter rauen Umweltbedingungen im Dauereinsatz und werden bei Beschädigung einfach durch neue Bauteile ersetzt. Mit einem neuen Verfahren können defekte CFK-Strukturen nun deutlich einfacher lokal repariert werden.

Verfahren zur Reparatur von CFK-Bauteilen ohne Spanen

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Reparieren statt austauschen

Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Composites etablieren sich auch bei dünnwandigen Gehäusen. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, helfen das Gewicht zu senken und ermöglichen ein edles Design und Funktionsintegration. Werden die Gehäuse im Hybrid-Molding-Verfahren gefertigt, lassen sich außerdem Kosten, Verarbeitungsschritte und Zykluszeiten reduzieren

Composites senken das Gewicht und erleichtern die Produktion von Elektronikgehäusen

Composite-Halbzeuge

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Leichtbau für die Hosentasche

Die traditionellen Märkte für glasfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe bleiben stabil. Thermoplastcomposites starten bei hybriden Verarbeitungsprozessen durch. Mit pragmatischen Ideen packt die Faserverbundindustrie die Recyclingfrage an.

Faserverbundkunststoffe (FVK)

Reaktionsharze

Duroplaste

Messe K-Kunststoffmesse

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Harzsysteme für Composite-Herstellung

Phenolharze

Harze, Epoxid

Duroplastische Werkstoffe

Hochleistungskunststoffe

Thermoplaste

Große Vielfalt und pragmatische Ideen

Auf der Fakuma 2015 und dem BMW Nachhaltigkeitstag 2015 (14.10.15)  stellt die Wipag Deutschland GmbH, Neuburg, ihre neueste Produktentwicklung - das schlagzähe Carboncompound vor. 

Wipag 

Compound

Additive

Leicht - steif – schlagzäh 

Die Coperion GmbH, Stuttgart, baut das Angebot im Bereich Langfaser-Technik für den europäischen und asiatischen Raum aus. In Zusammenarbeit mit der ProTec Polymer Processing GmbH, Bensheim, bietet das Unternehmen ab sofort Komplettanlagen zur Fertigung von langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT) an. Durch die Kooperation beider Unternehmen soll dem gestiegenen Bedarf nach LFT-Granulaten Rechnung getragen werden. Bauteile aus langfaserverstärkten Kunststoffen besitzen eine hohe Steifigkeit bei geringerem Gewicht und erhöhten Schlagzähigkeiten. Zudem weisen sie im Vergleich zu kurzfaserverstärkten Thermoplasten verbesserte mechanische und thermische Materialeigenschaften auf. Durch diese Qualitätsverbesserung eignen sich LFT für höhere Belastungen und anspruchsvolle Einsatzbereiche. 

Höhere Belastungen und anspruchsvolle Einsatzbereiche 

Pultrusion

LFT-Angebot für Europa und Asien ausgebaut 

Einen extrem leichten Kühlauflieger für Nutzfahrzeuge aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) hat die The Team Composite AG (TTT) , Stade, zusammen mit der Lamilux Composites GmbH , Rehau, entwickelt. Der stabile Aufbau steigert durch ein niedriges Gesamtgewicht auch die Transportleistung. Der 3,5-Tonner kann laut Hersteller eine bis dato nicht erreichte Nutzlast von 1,5 Tonnen aufnehmen. Damit steigt die Transportleistung im Vergleich zu einem konventionellen Kühlkofferfahrzeug um rund ein Drittel. Möglich wird dies durch den leichten Kofferaufbau aus Carbonfaser-Kunststoff (CFK) der Lamilux.
Neben der Gewichtsersparnis weist der Carbon-Aufbau auch gute Isolationswerte auf. Da er über eine Vakuum-Wärmedämmung verfügt, sollen laut Hersteller bis zu 60% weniger Energie nötig sein, um die Temperaturen im Innenraum niedrig zu halten.

Leichter Kühlwagen mit Sandwichelemente 

Verstärkung durch Carbonfaser in Nutzfahrzeug 

Mit den Polyaryletherketon (PAEK) und karbonfaserbasierten unidirektionalen (UD-)Tapes sowie Laminaten des Typs Victrex AE250 Composites bietet die Victrex Europa GmbH , Hofheim, Verbundwerkstoffe für die Luftfahrtindustrie an. Diese Produktgruppe ermöglicht die Fertigung von endlosfaserverstärkten Bauteilen, die unter Belastung hohe Leistungen erbringen.

Thermoplastische Verbundwerkstoffe für die Luftfahrtindustrie 

Polyetherketon

Unidirektionale Tapes Victrex AE250 Composites 

Die Huntsman Advanced Materials GmbH, Bergkamen, hat ein neues Epoxidharzsystem entwickelt, mit dem laut eigenen Angaben strukturelle Bauteile in Autoklavqualität in weniger als einer Minute herstellbar sind. Das Dynamic Fluid Compression Moulding (DFCM) -Verfahren kombiniert ein Material, welches innerhalb 30 Sekunden aushärtet, mit einer neuartigen Nasspresstechnik, die Durchlaufzeiten von einer Minute für strukturelle Bauteile ohne weiteres Nachtempern realisiert.

Strukturelle FVK-Bauteile in weniger als einer Minute 

Harze

Pressen von Kunststoffen

Dynamic Fluid Compression Moulding (DFCM) 

Die Borealis AG , Linz/Österreich, erweitert ihre Produktpalette an kohlefaserverstärkten Polypropylenen (PP) Fibremod um drei neue Werkstoffsorten:

CF-verstärkte Palette an Polypropylenen erweitert 

Polypropylen

Leicht, aber nicht locker 

Die Victrex plc , Lancashire/Großbritannien, bietet mit Victrex AE250 unidirektionale Tapes aus Polyaryletherketon (PAEK) und Carbonfasern an. Die Laminate wurden hinsichtlich schneller Bauteilfertigung und -installation entwickelt. Die hochfesten, endlosfaserverstärkten Composite-Halbzeuge sollen neben bis zu 60 % geringerem Bauteilgewicht gegenüber Metallen, auch Herstellungszeit und Systemkosten verringern. Im Hybridspritzgießverfahren lassen sich die Composites analog Metallen als Einlegeteile mit kurzfaserverstärkten PEEK-Polymer-Werkstoffen umspritzen. Laut Hersteller kann dabei auf das Vorwärmen des Organobleches vor dem Einlegen in das Spritzgießwerkzeug verzichtet werden. Damit können Zykluszeiten, Energieverbrauch, Nachbearbeitungsschritte und Abfall reduziert werden.

Für schnelle Bauteilfertigung und -installation 

Unidirektionale Tapes Victrex AE250 

Im neuen Brennstoffzellenauto „Clarity Fuel Cell" von Honda , besteht der Träger des rückwärtigen Stoßfängers aus Polyamid (PA)6-basiertem faserverstärkten Verbundwerkstoff Tepex und dem Hochleistungskunststoff Durethan (PA6). Tepex ist ein Verbundmaterial der Lanxess-Tochter Bond-Laminates , Durethan wird von der Lanxess AG , Köln hergestellt. Damit setzt Honda laut Pressemitteilung den ersten serienmäßigen, im Hybrid-Molding-Verfahren produzierten Stoßfängerträger ein. Er wird im einstufigen One-Shot-Hybrid-Molding-Verfahren hergestellt, bei dem der technische Kunststoff und das Verbundmaterial in einem Schritt zu einem großen Bauteil verarbeitet wird. Das vereinfacht den Produktionsprozess und führt laut Hersteller zu einer Gewichtseinsparung von rund 50% gegenüber Bauteilen aus Metall.

Faserverstärkter Stoßfängerträger per One-Shot Hybrid Molding Faserverstärkter Stoßfängerträger per One-Shot Hybrid Molding 

Polyamide

Spritzgießen

Kunststoff voraus im neuen Brennstoffzellenfahrzeug Kunststoff voraus im neuen Brennstoffzellenfahrzeug 

Einen verbesserten Einsatz von Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen erlauben die Additive aus der Scona-Reihe der BYK-Chemie GmbH, Wesel. Diese können unabhängig vom Matrixmaterial, ob duromer oder thermoplastisch, eingesetzt werden. Sie ermöglichen eine bessere Anhaftung zwischen Faser und Matrix, wodurch die mechanischen Eigenschaften insgesamt verbessert werden sollen. 

BYK-Chemie 

Leicht noch leichter 

Sehr hohe Steifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte verspricht das Carboncompound der  Wipag Süd GmbH & Co KG, Neuburg a. d. Donau. Als Ausgangsmaterial hierfür dienen, neben Polyamid, Sekundärfasern aus der Produktion von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Dadurch wird eine Einarbeitung von Kurz-Kohlenstoffasern in einen thermoplastischen, spritzgießfähigen Kunststoff laut Hersteller auch wirtschaftlich rentabel und mit Füllgraden von bis zu 40 % realisierbar. Weitere Vorteile des Compounds liegen in einer geringen thermischen Ausdehnung sowie einer guten Alterungs- und Chemikalienbeständigkeit. Anwendung findet das Compound bereits in einer spritzgegossenen Kite-Board- Finne (Bild), wobei insbesondere das geringe Gewicht einen Vorteil für Geschwindigkeit und Handlichkeit bedeutet. 

Wipag Süd 

Erstes Serienbauteil auf Basis eines  Carboncompounds 

Die Steigerungsraten für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe bleiben zweistellig. Unter den Werkstoffen ist Polyurethan der facettenreiche Newcomer. Innovative Pultrusionsverfahren beeindrucken durch wirtschaftliche Serienproduktion. 

Faserverstärkte Kunststoffe sind so bedeutend wie nie zuvor und setzen weltweite Wachstumsimpulse 

Reaktivsysteme und Faserverbundkunststoffe 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Für den Leichtbau werden Carbonfasern (CF) wegen ihrer extremen Festigkeit und Steifigkeit verwendet [1, 2]. Dabei war für die Anwender die Leitfähigkeit der CF bisher eine eher neutrale Eigenschaft. In der Verarbeitung ist sie hingegen ein Problem, da Maschinen- und Anlagenteile vor elektrischen Kurzschlüssen geschützt werden müssen. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind sehr niedrigohmig [3] und bieten dadurch ein Potenzial für die Integration von Zusatzfunktionen auf Basis der elektrischen Leitfähigkeit. Bisher wurde diese allerdings kaum beachtet und im Hinblick auf die Funktionsintegration nicht systematisch erforscht. Am Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung (TITK) wurden deshalb die grundlegenden Zusammenhänge der Prozessführung bei der Fertigung, die mikro- und makroskopischen Materialeigenschaften und deren Auswirkungen auf die elektrische Leitfähigkeit sowie die abschirmenden EMV-Eigenschaften von CFK untersucht [4].

Bei der Verarbeitung von CFK kommen folgende Verfahren serienmäßig zum Einsatz:

<ul><li>Spritzgießen mit CF-Compounds</li><li>Extrusion mit CF-Compounds</li><li>Thermoformen mit Organoblechen</li><li>Nasspressen und Resin Transfer Molding (RTM) mit duroplastischen Harzen</li><li>Fließpressen mit Sheet Molding Compounds (SMC)</li></ul>

Jeder Prozess besitzt spezifische Randbedingungen hinsichtlich der Faserlängen und -anteile und erzeugt darüber hinaus eine typische Faserorientierung. Daraus ergeben sich für die verschiedenen CFK ganz unterschiedliche mechanische Werkstoffeigenschaften, die über die praktischen Einsatzgebiete der Werkstoffe entscheiden. Bei allen für die Untersuchungen hergestellten Materialien (Tabelle) wurden recycelte Carbonfasern (rCF) eingesetzt. Der Recyclingprozess von harzfreien Gelege- und Gewebeabfällen führt zu endlich langen rCF, sodass alle Verarbeitungsprozesse auf die verfügbaren Faserlängen abgestimmt sein müssen. Die aus den Verarbeitungsprozessen resultierenden Verbundstrukturen beeinflussen nicht nur die mechanischen Werkstoffeigenschaften, sondern bestimmen auch die elektrische Leitfähigkeit der rCFK.

Ausgehend von den verfahrenstechnischen Randbedingungen zur Fertigung der rCFK ergibt sich eine mehr oder weniger stark ausgeprägte elektrische Leitfähigkeit. Das lässt sich gut am Beispiel der elektrischen Widerstände von Spritzgussplatten, SMC-Plattenware sowie Organoblechen mit Polypropylen (PP), Polyamid (PA) und Epoxidharz als Matrixmaterial ablesen (Bild 1).

Die untersuchten rCFK können nicht nur statische Ladungen abführen, sondern verfügen auch über eine materialspezifische elektrische Leitfähigkeit. Bei kurzfaserverstärkten rCFK, die im Spritzgießverfahren oder durch Extrusion verarbeitet werden, ist der elektrische Widerstand sehr stark vom Fasergehalt abhängig. Der Übergang von antistatisch bis gut elektrisch leitend ist dabei fließend. Bis zu einem Faservolumengehalt von ca. 10 Vol.-% sind diese Werkstoffe antistatisch bis ladungsableitend. Erhöht sich der Faservolumenanteil, bildet sich ein leitfähiges Netzwerk aus und die elektrischen Widerstände verringern sich deutlich. Bei spritzgießtypischen Faservolumengehalten zwischen 10 und 20 Vol.-% werden Oberflächenwiderstände von 102 - 103 Ω erreicht (Bild 1). Langfaserverstärkte rCFK, die mit den Verfahren Thermoformen, Nasspressen oder SMC gefertigt werden, enthalten verfahrensbedingt Faservolumengehalte zwischen 20 und 30 Vol.-%. Daraus ergibt sich ein dichtes rCF-Netzwerk, weshalb diese Materialien sehr geringe Widerstände von &lt; 102 Ω besitzen (Bild 1).

Die geringen elektrischen Widerstände der rCFK können zum Aufheizen dieser Werkstoffe genutzt werden [5, 6]. Schon bei geringen Betriebsspannungen fließen relativ hohe Ströme und die Materialen lassen sich problemlos auf 60 - 80 °C aufheizen. Langfaserverstärkte rCF generieren wegen höheren Faseranteilen und langen Fasern höhere Heizleistungen als kurzfaserverstärkte Materialvarianten (Bild 2). Da bei allen untersuchten rCFK eine homogene Faserverteilung vorliegt, erfolgt eine sehr gleichmäßige Erwärmung des gesamten Composites. Ein Formpressteil aus einem Naturfaser-PP-Träger und einem Dekorvlies, bei dem eine Lage eines rCF-PP-Organoblechs integriert wurde, erwärmt sich etwa bei Anlegen einer Niederspannung auf moderate 40 °C (Bild 3).

Für schirmende Eigenschaften sind hohe elektrische Leitfähigkeiten erforderlich. Dafür sind besonders Organobleche aus rCF-Vliesen mit thermo- oder duroplastischen Matrizes geeignet. Die schirmenden Eigenschaften wurden vom Kooperationspartner IMG Electronic Power Systems mithilfe von EMV-Analysen untersucht. Diese erfolgten mit folgenden Messverfahren und in folgenden Frequenzbereichen:

<ul><li>Transmissionsdämpfung [7] mit Hohlleiter im Frequenzbereich von 5800 – 8200 MHz</li><li>Transmissionsdämpfung mit Zweikammermessdose im Frequenzbereich 40 – 1000 MHz nach US -Norm ASTM ES 7/83 mit Verstärker [8]</li><li>Schirmdämpfung nach VG 95373/T15 im Frequenzbereich 30 – 1000 MHz mit Verstärker</li></ul>

Die Transmissionsdämpfungsmessungen an den rCFK-Kunststoffplatten zeigten, dass mit Organoblechen Transmissionsdämpfungen von bis zu 75 dB erreichbar sind (Bild 4). Das sind für Kunststoffe sehr gute Werte [9]. Die rCFK wirken aber ebenfalls in den WLAN-Bereichen zwischen 25 und 30 dB. Entscheidend für die Dämpfungseigenschaften sind der Faseranteil und deren Verteilung, die Faserlänge und der werkstoffliche Aufbau der rCFK-Materialien, wie homogene Fasermischungen oder Schichtaufbau aus leitfähigen CF -Schichten und nicht leitfähigen Kunststoffschichten. Das verdeutlichen sehr gut die Organobleche mit PP-Matrix. Sie bestehen aus mehreren Lagen rCF-PP-Hybridvlies, die übereinander geschichtet die geforderte Verbunddicke ergeben. Die Decklage des Schichtaufbaus bildet ein reines PP-Vlies. Aus diesem Aufbau ergeben sich zwei unterschiedliche Qualitäten der Oberfläche des Organoblechs: eine mit PP versiegelte Oberfläche (PP_o1) und eine Oberfläche mit teilweise freiliegenden CF (PP_o2). Die Oberfläche mit den teilweise freiliegenden CF kann einen höheren Anteil elektromagnetischer Strahlung reflektieren und erreicht damit eine bessere Abschirmwirkung.

Während die Transmissionsdämpfungen vornehmlich die werkstofflichen Dämpfungseigenschaften charakterisieren, ermöglicht die Messung der Schirmdämpfung nach VG -Norm eine Aussage zur Wirksamkeit der Abschirmung im Anwendungsfall als technische Applikationsgeometrie. Die rCFK erreichen dabei maximale Schirmdämpfungen von 40 - 50 dB. Das entspricht einer Felddurchlässigkeit von weniger als 0,01 % (Bild 5). Eine besonders gute Abschirmung erzeugt das Organoblech mit PP-Matrix, wenn bei der Konstruktion die Oberfläche mit den teilweise freiliegenden CF die Außenseite bildet (Kurve PP_o2). In diesem Fall kann eine sehr hohe Abschirmung durch hohe Anteile an Reflexion erzielt werden. Allerdings sind solche Oberflächenbeschaffenheiten in der Praxis so gut wie nicht nutzbar, da von den freiliegenden CF die Gefahr von Kurzschlüssen in elektronischen Bauteilen ausgeht.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass mit rCFK die Funktionen Heizen und EMV-Abschirmung umsetzbar sind. Damit können rCFK nicht mehr nur zur Struktur- und Formgebung dienen, sondern mit ihren elektrisch leitenden und abschirmenden Eigenschaften Eingang in intelligente Leichtbaukonzepte finden. Die Ergebnisse der durchgeführten EMV-Messungen zeigen, dass rCFK ein großes Potenzial für schirmende EMV-Aufbauten für Gehäuse, Kabel und Steckverbinder aufweisen. Sie stellen ein interessantes Material für E-Fahrzeuge und selbstfahrende und abstandsgeregelte Automobile dar. Die dafür interessanten Daten zur Schirmwirkung der rCFK im Kfz-Abstandsradarbereich von 27 - 72 GHz werden von den Partnern IMG und TITK noch erarbeitet. In weiteren Forschungen wird am Optimum aus Faservolumengehalt, Oberflächenmorphologie, mechanischen Werkstoffeigenschaften und optimalem Schichtaufbau eines Multilayers aus CF und Matrixmaterial gearbeitet. Damit ist eine weitere Verbesserung der Schirmwirkung unter Beachtung der technischen Bauteilanforderungen möglich.

[1] Unternehmenspräsentation SGL Carbon: Investor Relations Presentation, Juli 2018

[2] M. Sauer, M. Kühnel: Composites-Marktbericht 2019 – der globale CF- und CC-Markt 2018, CCeV Nov. 2018

[3] C. Möbitz, J. Taube, V. Niebel, T. Gries: Recycelte Carbonfasern für die elektrisch leitfähige Funktionalisierung von Faserverbundbauteilen, avr-Nonwoven & Technical Textiles 6 (2016), S. 51 - 52

[4] A. Schwab, W. Kürner: „Elektromagnetische Verträglichkeit“, Springer Verlag, ISBN 978-3-642-

[5] <a href="https://lofec.de/Fl">https://lofec.de/Fl</a>ächenheizung

[6] <a href="https://www.frenzelit.com/produkte/heizsysteme">https://www.frenzelit.com/produkte/heizsysteme</a>

[7] NIST Technicel Note 1536: Measuring the Permittivity and Permeability of Lossy Materials, 02/2005, S. 10

[9] U. Leute: Kunststoffe und EMV, Hanser Verlag, ISBN 3-446-18875-4, S. 15

Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. TITK

https://www.titk.de

IMG Electronic & Power Systems GmbH 

https://www.img-nordhausen.de

Ausgabenartikel KU12-21

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Bild 2. Flächenheizleistung verschiedener rCFK: Hohe Faseranteile und längere Fasern sorgen für eine höhere Heizleistung

Bild 3. Demonstrator mit integriertem rCF-PP-Organoblech: Über das CFK lässt sich das gesamte Formpressteil aufheizen

Bild 4. Transmissionsdämpfungsmessungen an rCFK-Kunststoffplatten nach der US-Norm ASTM ES 7/83: Mit den CFK sind Dämpfungen von bis zu 75 dB möglich 

Bild 5. Schirmdämpfungsmessung an rCFK-Kunststoffgehäusen nach der VG-Norm: Besonders hohe Werte erreicht ein CFK mit PP-Matrix, bei dem die Fasern an der Oberfläche nicht vollständig mit Matrix versiegelt sind

KU 12-21_TITK - Hauptartikel

Dipl.-Chem. Carmen Knobelsdorf ist seit 1992 als Projektleiterin im Fachbereich Textil- und Werkstoffforschung des Thüringischen Instituts für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. (TITK) in Rudolstadt tätig; <a href="mailto:knobelsdorf@titik.de">knobelsdorf@titik.de</a> Ass.-Prof. Frank Gräbner ist seit 1995 bei IMG Electronic & Power Systems in Nordhausen tätig. Gleichzeitig lehrt er an der Faculty of Electrical Engineering, Electronics and Automation der University of Rouse; <a href="mailto:frank.graebner@img-nordhausen.de">frank.graebner@img-nordhausen.de</a>

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung.