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25.08.2018

Neue Aufgaben für alte Fasern

Recycling bei der Konstruktion mit bedacht

ReLei-Technologiedemonstrator: Thermoplastische Sandwichstruktur aus recycelten Kohlenstofffasern (© TUD/ILK)

Gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie haben Forscher des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden im Forel-Technologieprojekt ReLei unter der Projektleitung der ElringKlinger AG, Dettingen an der Erms, einen Technologiedemonstrator entwickelt, an dem das Thema Recycling umgesetzt wurde. Schon bei der Bauteilkonzeption und -auslegung berücksichtigte das Projektteam den Einsatz von recycelten Kohlenstofffasern und wiederaufbereitetem Spritzgießgranulat.

Bislang wird das Recycling eines Bauteils erst vergleichsweise spät bei der Produktgestaltung berücksichtigt, was dazu führen kann, dass Anforderungen aus dem Recycling und der mögliche Einsatz von Sekundärmaterialien nur sehr eingeschränkt bei der Bauteilauslegung in Betracht gezogen werden. Aus diesem Grund wurde im Verbundprojekt ReLei ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, bei dem bereits während der Konzeption und Entwicklung die spezifischen Eigenschaftsprofile von unterschiedlichen Recyclingmaterialien, wie etwa recycelten Kohlenstofffasern und wiederaufbereitetem Spritzgießgranulat, berücksichtigt werden.

Zunächst entwickelte das Projektteam zwei unterschiedliche Prozessrouten. Zur Realisierung flächiger Verstärkungshalbzeuge wurden aus recycelten Kohlenstofffasern (rCF) und Polyamid-Fasern von der Firma Grimm Schirp GS Technologie GmbH, Hildesheim, sogenannte Hybridvliese hergestellt. Darüber hinaus hat das Institut für Aufbereitungsmaschinen (IAM) der Technischen Universität Bergakademie Freiberg aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Abfällen auf Polyamid-Basis durch eine mechanische Wiederaufbereitung Splittergranulat hergestellt.

Spritzgieß-Fertigungstechnik Schäumformen

Im zweiten Schritt wendete das Team um Prof. Maik Gude erstmals die neuentwickelte Spritzgieß-Fertigungstechnik des „Schäumformens“ an einer komplexen Geometrie an. Das Grundkonzept des von ILK und ElringKlinger entwickelten Prozesses besteht in der Kombination der MuCell-Technik mit dem Thermoformen vorkonsolidierter FKV-Sandwichdecklagen in einem einzigen Prozessschritt. Hierbei werden thermoplastische Sandwichdecklagen (z.B. Hybridvliese) in einer Aufheizvorrichtung erwärmt und anschließend automatisiert mit einem robotergeführten Handlingsystem in das geöffnete Spritzgießwerkzeug transferiert.

Das externe Aufheizen außerhalb des Werkzeuges hat den Vorteil, dass die Zykluszeit des TSG-Prozesses nicht verlängert wird und eine homogene Erwärmung oberhalb der Schmelztemperatur erfolgen kann. Hierdurch wird ein Umformen der Decklagen im Werkzeug durch den Schmelzedruck ermöglicht. Zeitgleich wird das CF-PA-Splittergranulat in der Plastifiziereinheit aufgeschmolzen und mit Stickstoff als physikalisches Treibmittel versehen. Typisch für den MuCell-Prozess ist hierbei, dass das Treibmittel als überkritisches Fluid (SCF) in die Schmelze injiziert wird.

Nach dem Schließen der beiden Werkzeughälften wird die Thermoplastschmelze zwischen die Sandwichdecklagen eingespritzt, wobei die Kavität vollständig gefüllt wird. Durch den Druck der Schmelze werden die Sandwichdecklagen an die jeweilige Werkzeugwand gepresst und erhalten so ihre endgültige Form. Anschließend wird das Werkzeug mittels Expansionsprägen um einen definierten Weg geöffnet, sodass die schmelzflüssige Kernschicht kontrolliert aufschäumt. Nach dem Abkühlen kann das fertige Sandwichbauteil entformt werden. Zusätzlich können im Prozess Lasteinleitungselemente, endlosfaserverstärkte Organobleche und versteifende Verrippungen in die Struktur eingebracht werden, so die Pressemitteilung.

Diese Technik ermöglicht eine große gestalterische Freiheit und ein hohes Maß an Funktionsintegration. Für die virtuelle Prozessauslegung entwickelte der Projektpartner inpro Methoden zur Abbildung des gesamten Prozesses in einer durchgängigen Simulationskette.

Der Technologiedemonstrator stellt das Rückwandoberteil einer Fahrzeugkarosserie dar. Hier werden zum einen hohe Ansprüche an die Gesamtsteifigkeit gestellt und zum anderen müssen lokal hohe mechanische Lasten aufgenommen werden. Dies betrifft die Verankerung eines Gurtaufrollers und mehrerer Kindersitzbefestigungen im Crash-Lastfall. Darüber hinaus sind aufgrund der Anbindung eines Bass-Lautsprechers hohe akustische Anforderungen in Bezug auf das NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness – Auftreten unerwünschter Nebengeräusche) zu erfüllen.

Auf Recycling ausgerichtet

Die entwickelte Fertigungstechnologie erlaubt die Aufteilung der Bauteilstruktur in verschiedene Funktionsbereiche, wodurch die unterschiedlichen Belastungen anforderungsgerecht aufgenommen werden können. Je nach Anforderung kann auf kostengünstiges recyceltes Spritzgießmaterial oder Hybridvliese aus recycelten Kohlenstofffasern zurückgegriffen werden. Den Einsatz teurer Neumaterialien konnten die Wissenschaftler auf lokal begrenzte Organoblech-Verstärkungen beschränken. Der Anteil von Recyclingmaterial liegt insgesamt bei circa 80 %. Auch die stoffliche Verwertung der Demonstratorstruktur und Strategien für eine effektive Demontage waren Bestandteil des Vorhabens.

Das Potenzial von recyceltem CFK für thermoplastische Strukturbauteile, der im Projekt ReLei entwickelte einzigartige Prozess sowie der komplexe Technologiedemonstrator werden beim Projektabschluss auf dem Forel-Kolloquium am 3./4.09.2018 in Dresden der Öffentlichkeit vorgestellt. (ys)

Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben ReLei wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ mit Mitteln aus dem Energie- und Klimafonds gefördert (Förderkennzeichen 02PJ2800 – 02PJ2808) und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. ReLei wurde 2015 vom BMBF als Leuchtturmprojekt ausgezeichnet.

Weiterführende Information
  • 17.08.2018

    Faserintegration erschließt Leichtmetallanwendungen

    Prozessschwankungen der Thixomolding-Verarbeitung ausgeglichen

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