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10.10.2018

Verfahren und Materialien voranbringen

Fraunhofer ICT auf der Fakuma 2018

Mit einer Reihe von Werkstoffen und Projekten präsentiert sich das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) auf der Fakuma 2018 in Friedrichshafen. Das Fraunhofer ICT zeigt, neue Rezepturen für Biopolymere, Hochleistungskunststoffe für die additive Fertigung, elektrisch leitfähige Composites sowie aktuelle Entwicklungen im Bereich der Schäumtechnik und deren Übertragung in die Anwendung.

Außerdem arbeiten die Wissenschaftler an einer Haftschicht für Metall-Kunststoff-Verbunde, dem Duroplast-Spritzgießen im Automobilbereich und entwickeln ein Verfahren zur Geruchsreduzierung während des Compundierschritts. In einem weiteren Forschungsprojekt wurde eine modulare Produktionsanlage für Hybridkomponenten entwickelt.

1. Von der Materialentwicklung in die Anwendung im Bauteil

Auf der Fakuma demonstriert das Fraunhofer ICT unter anderem aktuelle Entwicklungen im Bereich Schäumtechnologien und deren Übertragung in die Anwendung (Bild 1). Dargestellt werden:

  • Weiterentwickelte Isolationsmaterialien, die eine effizientere Wärmedämmung von Gebäuden mit geringerem Materialeinsatz ermöglichen sollen;
  • Schäume für Strukturanwendungen mit erhöhter mechanischer Belastbarkeit, die z. B. an hochbelasteten Stellen als Sandwichkernmaterial eingesetzt werden können;
  • Halogenfreier Flammschutz für Schäume;
  • Bio-Schäume auf Basis nachwachsender und/oder biologisch abbaubarer Rohstoffe, die als Partikel- und Extrusionsschäume hergestellt werden können;
  • Schäume mit höherem Temperatureinsatzbereich
  • Partikelschäume als Prozesshilfe zur Umformung von Preforms

2. Gerüche beim Compoundieren reduzieren

Um die Emissionen und den Geruch von Compounds zu reduzieren, hat das Fraunhofer ICT ein Verfahren entwickelt, bei dem in nur einem Verarbeitungsschritt der Geruch verringert werden soll (Bild 2). Dazu wird während des laufenden Compoundierprozesses mit schleppmittelunterstützter Entgasung oder extraktiver Extrusion die Emission aus der Kunststoffschmelze entfernt. Das Verfahren lässt sich laut Institut, abhängig von der zu entfernenden Kontamination und dem Materialsystem, einfach in eine bestehende Anlage integrieren.

3. Biopolymere für technische Bauteile

Gemeinsam mit Partnern entwickelte das Fraunhofer ICT Rezepturen zur Herstellung von Biopolymersystemen oder Polymerisationen. Die Entwicklung der Rezepturen beschränkt sich hierbei nicht nur auf die Verarbeitung im Spritzgießverfahren (Bild 3). Auch spinnfähige, schäumbare und extrudierbare Rezepturen wurden entwickelt und ihre Einsatzfähigkeit in der Automobil-, Bau- sowie der Textilbranche laut Fraunhofer erfolgreich nachgewiesen.

In unterschiedlichen Kombinationen ergeben sich Möglichkeiten von selbst verstärkten Biocomposites oder kompletten biobasierten Sandwichstrukturen. In Friedrichshafen zeigt das Institut den aktuellen Stand der Biopolymeranwendungen, von 2K-spritzgegossenen Teilen über Fasern, Schäume, Profilbauteile, Folien und Sandwichbauteilen.

4. Hochleistungspolymere für den 3D-Druck

Im Rahmen des BMBF geförderten Projekts „KufHiT“ werden druckfähige Filamente aus kurzfaserverstärkten Hochleistungspolymeren entwickelt (Bild 4), die einen Einsatz unter hohen Temperaturen im Motorraum oder bei strengen Brandvorschriften in der Luftfahrt erlauben. Ziel ist es die Compounds und Blends für die industrielle Filamentherstellung und die Ermittlung der materialgerechten Verarbeitungsparameter weiterzuentwickeln.

Auf der Fakuma zeigt das ICT den aktuellen Stand der gemeinsam mit Projektpartnern entwickelten glas- und carbonfaserverstärkten Druckfilamente aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyphenylensulfon (PPSU).

5. Herstellung elektrisch leitfähiger Composites

Der Einsatz elektrisch leitfähiger thermoplastischer Komposite erlaubt die Integration von elektrischen Leitungen in den Herstellungsprozess von Bauteilen (Bild 5). Insbesondere in Verbindung mit modernen FDM-Methoden (Fused Deposition Modeling) kann so bspw. der Betrieb von Leuchtdioden in Armaturentafeln realisiert werden. Ferner ist auf diesem Wege auch die Herstellung elektrisch leitfähiger Strukturen mit Sensorfunktionen, wie z.B. Feuchtemessung, Füllstandsmessung in Behältern, Deformationsdetektion oder Näherungsdetektion möglich.

Der elektrische Kontakt der gedruckten oder spritzgegossenen Leiterbahnen an den metallischen Kontakt von Leuchtdioden oder anderen elektrischen Verbrauchern bzw. der Stromquelle kann direkt durch das Erstarren des schmelzflüssigen Thermoplastes auf der metallischen Oberfläche erfolgen. Auch Steckkontakte zwischen einem polymeren Leiter und metallischen Buchsen wurden bereits entwickelt.

Auf der Messe wird eine Anordnung gezeigt, in der elektrisch leitfähige Polymere als Sensoren eingesetzt werden, deren Signale zur Steuerung von elektrischen Funktionen verwendet werden.

6. Automobil und Leichtbau: Verbesserte Fertigung am Beispiel einer Autositzlehne

Im BMBF Verbundprojekt „MoPaHyb“ ist es gelungen, die Fertigungskosten für komplexe Hybridkomponenten zu senken. Erreicht wurde dies durch die Entwicklung einer modularen und schnell wandelbaren Produktionslinie.

Die „Multi-Material-Bauweise“ ist ein vielversprechender Ansatz für strukturelle Leichtbauanwendungen in der Automobil- und Luftfahrtbranche (siehe Sitzlehne, Bild 6). Aktuelle Losgrößen, Variantenvielfalt und Anlageninvestitionskosten für einzelne Produkte erschweren jedoch die ökonomische Fertigung und damit die Serieneinführung.

Innerhalb des Verbundprojektes entwickelten vierzehn Partner eine modulare und rekonfigurierbare Produktionsanlage, die eine einfache Anpassung an ein breites Spektrum verschiedener Hybridkomponenten ermöglicht. Der Schlüssel hierbei ist eine „Plug & Work“-Architektur, welche Produktionsmodule mit einer Basissteuereinheit verbindet. Dabei werden vereinheitlichte Kommunikations-Protokolle und -Schnittstellen sowie Statusmodelle verwendet.

Zur Demonstration der neuen Anlagengeneration wurde eine Referenzproduktionsanlage am Fraunhofer ICT in Pfinztal aufgebaut, welche die Leichtbau-Technologien thermoplastisches Tapelegen, Pressformen, Langfaser-Direkt-Spritzguss sowie Metallbearbeitung, -bereitstellung und Qualitätskontrolle umfasst.

7. Duroplast-Spritzgießen: Direktgekühlter Elektromotor mit integralem Leichtbaugehäuse

Das zentrale Element einer nachhaltigen Mobilität bildet der elektrische Antriebsstrang. Zur gleichzeitigen Verbesserung von Leistungsdichte, Effizienz und Kosten wurde in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein neuer Ansatz erarbeitet, der sich durch eine Kunststoffbauweise in Kombination mit einer direkten Kühlung von Stator und Rotor auszeichnet (Bild 7).

Das Kernstück des Motors bildet ein Stator aus zwölf segmentierten Einzelzähnen, die mit einem Flachdraht hochkant bewickelt sind. Durch die Verwendung des Flachdrahts wird zwischen zwei benachbarten Statorzähnen ein Freiraum gebildet, der zur Ausformung eines Kühlkanals genutzt wird. Durch das gewählte Kühlkonzept wird die Verlustwärme direkt im Motor nahe zu ihrem Ort der Entstehung abgeführt, wodurch der Einsatz von Kunststoffen in strukturellen Motorkomponenten ermöglicht wird. Die elektrische Auslegung des Motors wurde dabei auf die Anforderungen der Kunststoffbauweise angepasst.

Die gesamte Statorbaugruppe, bestehend aus den bewickelten und elektrisch verschalteten Einzelzähnen sowie mehreren Temperatursensoren, wird im Transfer-Molding-Verfahren mit einer wärmeleitfähigen Epoxidharz-Formmasse umspritzt, wobei die Kühlkanäle durch Werkzeugkerne gebildet werden. Zur Gewährleistung der strukturellen Integrität des Motors wird die umspritzte Statorbaugruppe in ein spritzgegossenes Gehäuse aus einer strukturellen Phenolharz-Formmasse montiert, in welchem zusätzlich die Lagerung des Rotors und die Abdichtung des Kühlkreislaufs realisiert wird.

8. Duroplast-Spritzgießen: Verdichtergehäuse in Spritzgieß-Nasspress-Hybridbauweise

Das gewählte Verdichtergehäuse (Bild 8) besitzt zwei umlaufende Hinterschnitte, sodass ein dreiteiliger Aufbau gewählt wurde. Zwei der Bauteile wurden im Spritzgießen aus einer duromeren Phenolharz-Formmasse hergestellt, eines im Nasspressverfahren aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz.

Durch diese Materialauswahl soll eine zentrale Herausforderung für ein Verdichtergehäuse – der Berstschutz – erfüllt werden. Im Fall eines Versagens des Verdichterlaufrads dürfen keine Bruchstücke das Gehäuse durchschlagen. Die langen, quasiisotrop angeordneten Kohlenstofffasern im Nasspress-Bauteil sollen ausreichend Schlagzähigkeit bieten, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Die geometrische Komplexität wurde gezielt in die Spritzgussbauteile verlegt, da dort präzise und maßhaltige Bauteile hergestellt werden können. Beide Fertigungsverfahren sind großserienfähig und zeichnen sich durch einen hohes Potenzial zur Automatisierung aus.

9. Gewickelte Strukturen zur lokalen Verstärkung von Thermoplastbauteilen

Gewickelte Hybridrovings ermöglichen eine belastungsorientierte Endlosfaserverstärkung in hochbelasteten Bereichen eines Bauteils. Durch die geschlossene Schlaufenstruktur können Verbindungselemente und Krafteinleitungspunkte so integriert werden, dass die Kräfte direkt auf die Fasern im Bauteil eingeleitet werden. Die Fasern befinden sich dabei idealerweise entlang der Lastpfade, um das volle Potenzial von Endlosfaserverstärkungen in strukturellen Spritzgussbauteilen zu erreichen.

Durch einen robotergestützten Wickelprozess können die Verstärkungsstrukturen auch in hohen Stückzahlen bei gleichbleibender Qualität hergestellt werden. Im Rahmen der Prozessentwicklung wurden nun die Erkenntnisse aus den Grundlagenuntersuchungen auf ein generisches 3D-Strukturbauteil (Bild 9) übertragen, bei dem 3D-Skelettstrukturen im Spritzgießprozess umspritzt werden können.

10. Hohe Festigkeit durch nanoporöse Haftschicht für Metall-Kunststoff-Verbunde

Das Fraunhofer ICT hat ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, den Kunststoff direkt auf das Metallbauteil zu applizieren ohne aufwendige Oberflächenvorbehandlung und ohne zusätzlichen Klebstoff (Bild 10). Der Prozess nutzt das Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Verfahren (PECVD), um eine dünne poröse Haftschicht auf der Metalloberfläche abzuscheiden. Die Haftwirkung der nanoporösen Schicht beruht auf der Infiltration flüssiger Polymere in die Poren. Erstarrt das Polymer durch Abkühlung oder Vernetzung, führt die daraus resultierende Verzahnung zu sehr hohen Haftwerten. (ys)

Weiterführende Information
  • Fakuma 2018

    Hightech im Dreiländereck

    Im Oktober 2018 findet wieder die Fakuma-Messe für Kunststoffverarbeitung in Friedrichshafen statt. Hier gibt es Daten und Fakten zur Messe sowie umfangreiche multimediale Berichte.   mehr

  • Beinahe unzertrennlich
    Kunststoffe 06/2018, Seite 96 - 98

    Beinahe unzertrennlich

    Hohe Festigkeit durch nanoporöse Haftschicht für Metall-Kunststoff-Verbunde

    Die Grenzfläche zwischen Metall und Polymer zeigt sich oftmals als Schwachstelle in Hybridbauteilen. Dabei ist der Einsatz...   mehr

  • Einleuchtende Idee
    Kunststoffe 05/2018, Seite 34 - 36

    Einleuchtende Idee

    Fraunhofer ICT verarbeitet leitfähiges Material in der additiven Fertigung

    Mit der additiven Fertigung beschäftigt sich das Fraunhofer ICT seit den 1990er-Jahren. Auf der Fakuma 2017 erregten die Wissenschaftler...   mehr

Unternehmensinformation

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7
DE 76327 Pfinztal
Tel.: 0721 4640-0
Fax: 0721 4640-111

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