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20.11.2014

Bauteile mit einem Schaumkern und Faserverbunddeckschichten

Leichter durch Sandwich

Komplexe geformte thermoplastische 3D-Sandwichstrukturen können vorhandene Bauräume optimal ausnutzen. Schaumtechnologien werden in Zukunft immer stärker in den Vordergrund rücken, besonders in Kombination mit anderen Verfahren. Durch neuartige Verbundtechnologien lassen sich Anwendungen mit gesteigerten Bauteileigenschaften erschließen. Die Anforderungen lauten dabei, die Funktionalität und die Integrationsfähigkeit zu erhöhen und gleichzeitig das Bauteilgewicht und die Herstellungskosten zu reduzieren.

Von Dr. Erwin Bürkle

Komplexe 3D-Sandwichstrukturen (Bild: Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), TU Dresden)

Komplexe 3D-Sandwichstrukturen (Bild: Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), TU Dresden)

Im Fokus der Bauteilentwicklung liegen heute Sandwichstrukturen, die man in Leichtbauanwendungen forciert zum Einsatz bringen möchte. Für viele flächige und biegebeanspruchte Bauteile kann durch eine Querschnittsauflösung (Steifigkeitserhöhung bei gleicher Masse) die eingesetzte Werkstoffmasse reduziert werden – ohne Einbußen bei den mechanischen Eigenschaften. Alternativ kann bei gleicher Bauteilmasse die Steifigkeit der Struktur erhöht werden. Dazu werden hochsteife und feste Deckschichten durch einen schubsteifen Kern voneinander getrennt. Dabei verbessert sich die Biegesteifigkeit mit steigender Querschnittshöhe kontinuierlich: von der ebenen Struktur über die verrippte Struktur bis hin zur Sandwichbauweise mit den besten Eigenschaften (Bild 1, links).

Geht man bei der Sandwichbauweise von einer konstanten Bauteilmasse aus, so verringert sich mit zunehmender Sandwichhöhe die Dicke der Deckschicht, da die Masse des Schaumkerns berücksichtigt werden muss. Die technisch sinnvolle Sandwichhöhe ist neben dem Bauraum somit auch durch die Dicke der am Markt verfügbaren Deckschichthalbzeuge begrenzt (Bild 1, rechts).

Bild 1: Qualitative Darstellung der Biegesteifigkeit unterschiedlicher Querschnitte (links) und des Einflusses, den die Höhe des Sandwichbauteils auf dessen Steifigkeit ausübt (rechts) (Copyright: Kunststoffe)

Flexible Lösungsansätze

Neuartige Werkstoffsysteme auf Basis thermoplastischer Deckschichten und Kernmaterialien bieten in Verbindung mit innovativen Formgebungsprozessen flexible Lösungsansätze. Ziel ist es dabei, auch komplexe FVK-Bauteile kostengünstig in einem Prozessschritt herzustellen. In derartigen FVK-Schaumhybridstrukturen bilden sowohl der Schaumkern als auch die Deckschichten alle Dickensprünge und 3D-Umlenkungen eines vorgegebenen Bauraums konturgerecht ab.
Mit dem Thermopressen und dem Thermoschäumen stehen zwei neue serienfähige Verfahren für die Herstellung solcher Bauteile die ebene Halbzeuge für Deckschichten einsetzen zur Verfügung.

Thermopressen verbindet Organobleche mit Schaumstoffplatten

Beim Thermopressen wird das Sandwich direkt im Presswerkzeug hergestellt und umgeformt. Dazu werden aufgeheizte und somit thermoformbare Deckschichten (Organoblechzuschnitte) und Kern-Halbzeuge (Schaumstoffplatten) in ebenem Zustand in das Presswerkzeug eingelegt. Beim Schließen des Werkzeugs werden die Deckschichten mithilfe eines druckfesten Schaumkerns umgeformt und mit diesem verpresst. Zur Ausprägung der Form muss die textile Architektur der Organobleche drapiert werden (Bild 2).

Bild 2: Verfahrensablauf beim Thermopressen (Copyright: Kunststoffe)

Höhere Umformgrade beim Thermoschäumen

Beim Thermoschäumen handelt es sich um ein Fertigungsverfahren, das die beiden bekannten Verfahren Partikelschäumen und Organoblech-Umformung miteinander kombiniert. Mehrere Partner:

  • die Krallmann Gruppe, Hiddenhausen,
  • die Kurtz GmbH, Kreutzwertheim,
  • die Georg Kaufmann Formenbau AG, Busslingen/Schweiz und GK Konzept GmbH, Dresden,
  • die Ruch Novaplast GmbH + Co. KG, Oberkirch,
  • Wobbe-Bürkle-Partner, Hitzacker und
  • die Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH, Dresden

haben diesen Prozess in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden erstmals umgesetzt (Bild 3).

In ein Partikelschäumwerkzeug werden aufgeheizte und vorgeformte Organobleche eingelegt; nach dem Schließen des Werkzeugs werden gasbeladene Partikelschaumkügelchen injiziert und durch Bedampfen zum Expandieren gebracht. Die aufblähenden Partikel füllen den Hohlraum zwischen den Organoblech-Deckschichten vollständig aus und binden diese aneinander.

Bild 3: Verfahrensablauf beim Thermoschäumen (Copyright: Kunststoffe)

Für diesen Prozess werden vorgeformte Organobleche verwendet. Geht man noch einen Schritt weiter, so kann das Umformen des Organoblechs direkt in das formgebende Werkzeug verlegt werden. Aufgeheizte dünne Organobleche werden dann nach der Bestückung im Werkzeug durch den Expansionsdruck des Partikelschaums geformt und miteinander verbunden.

Vorteilhaft wirken sich in einem derartigen Werkstoffverbund u.a. die charakteristischen physikalischen Eigenschaften der Partikelschäume aus. Zum einen besitzen sie eine geschlossenzellige isotrope Struktur (Bild 4), d.h. eine gerichtete Energieeinbringung wird nach allen Richtungen gleichmäßig verteilt. Zum anderen versucht die Schaumstruktur aufgrund ihres Rückstellungsvermögens nach einer Deformation wieder in die Ausgangslage zurückzukehren.

Bild 4: Gepresste und geschäumte Struktur: links mit offenzelligem PET-Schaum, rechts mit expandiertem EPP-Kügelchen (Bild: ILK und TU Dresden)

Bild 4: Gepresste und geschäumte Struktur: links mit offenzelligem PET-Schaum, rechts mit expandiertem EPP-Kügelchen (Bild: ILK und TU Dresden)

Bild 5: Mehraxiale Gitterstrukturen; links unten: Vorkonsolidierung; rechts: lastpfadgerechte Fadenanordnung durch Kettfadenmanipulation (Bild: Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK))

Bild 5: Mehraxiale Gitterstrukturen; links unten: Vorkonsolidierung; rechts: lastpfadgerechte Fadenanordnung durch Kettfadenmanipulation (Bild: Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK))

Gitterverstärkte Sandwich-Verbunde

Neben geschlossenen textilen Halbzeugen oder vorkonsolidierten Organoblechen besteht in der Anwendung offener, thermoplastischer, endlosfaserverstärkter, mehraxialer Gitter einen neue vielversprechende Verstärkungsalternative. Durch diese flexible Textilverstärkung können lokale und globale Bauteileigenschaften gezielt verbessert werden (Bild 5). Außerdem lassen sich zusätzliche Funktionen, wie variabel positionierbare Fäden mit elektrischen und optischen Eigenschaften oder Temperatur- und Dehnungssensoren, in den Verbundwerkstoff integrieren.

Die Kombination von Partikelschäumen mit textilen Verstärkungsgitter-Deckschichten eröffnet völlig neue Einsatzgebiete. Außerdem wird durch die offene Gitterstruktur das vorkonsolidierten Deckschichtgitter aus Hybridgarnen die Verbundfestigkeit zwischen den Werkstoffpartnern zusätzlich verbessert (Bild 6).

Verfahren mit hohem Anwendungspotenzial

Charakteristisch für Kunststoff-Verbundwerkstoffe mit Endlosfaserverstärkung sind ihre hohe Steifigkeit und Festigkeit. Daher sind sie für Leichtbauanwendungen prädestiniert, insbesondere für Bauteile, die hohen Belastungen standhalten müssen. Bei einer schlagartigen Beanspruchung können sie einen Großteil der Energie absorbieren. Für die meisten Anwendungen eignen sich aufgelöste Querschnitte, um die Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen zu erfüllen. Besonders in der Automobilindustrie sind solche Bauteile in Verbundbauweise denkbar. Sie könnten beispielsweise in der Rückenlehne von Autositzen bzw. Lehnen von Sitzbänken verbaut werden oder auch in Instrumententafeln und Türmodulen.

Bild 6: Ein Partikelschaumbauteil mit eingelegter Kohlenstofffaserstruktur (GK Konzept GmbH)

Bild 6: Ein Partikelschaumbauteil mit eingelegter Kohlenstofffaserstruktur (GK Konzept GmbH)

Dr. Erwin Bürkle ist Mitglied im Netzwerk Intelligenter Leichtbau Systeme (NILS), welches sich mit den vielschichtigen Möglichkeiten integrativer Leichtbaukonzepte in Verbindung mit Partikelschaum befasst. Er gehört der Wobbe-Bürkle-Partner, Hitzacker (Elbe), an und ist der frühere (bis 2009) Leiter Vorentwicklung der KraussMaffei Technologies GmbH, München.