Dünnschichtlaminate aus textilverstärktem FKV

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Unter Variation der textilen Parameter im OLU-Preg-Halbzeug wurden zur Bewertung der Composite-Leistungen die Zugfestigkeiten (Rm) als primäres und die erzielten Zugmoduln als sekundäres Kriterium zugrunde gelegt. Die spezifische Zugfestigkeit (RS) lässt Schlussfolgerungen auf die erzielte Substanzausnutzung und den erreichbaren Leichtbaugrad zu. Auf Basis dieser Untersuchungen wurden die Parameter der makrostrukturellen Anordnung der Verstärkungskomponenten im Sinne einer effizienten und ressourcenschonenden Herstellung der OLU-Preg-Composites ermittelt. Im Ergebnis der Arbeiten wurden die auf 300 tex feinen Glasfasern basierenden Materialkombinationen favorisiert. Die als Single-Layer nur 0,2 mm und als Double-Layer nur 0,4 mm dünnen und oberflächenglatten PP-GF-Organobleche bilden eine ausgezeichnete Basis zur Herstellung von thermoplastischen Dünnschichtlaminaten. Materialkennwerte der NCF-FKV auf Grundlage von PP-GF-Laminaten aus OLU-Preg mit 0°-90°-Verstärkung für einen Faservolumengehalt von insgesamt 40 % und gleichen Anteilen je Verstärkungsrichtung mit insgesamt 400 g/m² GF-Roving sind in der Tabelle enthalten.

In die Materialuntersuchungen waren unter anderem dynamische Prüfungen eingeschlossen. Diese erfolgten in Anlehnung zum normierten Prüfversuch Falling-Dart. Allerdings konnten die Prüflinge in der zur Verfügung stehenden Prüfvorrichtung nicht auf die Auflageplatte aufgespannt werden, sondern lagen frei auf. Die NCF-Organobleche zeichneten sich durch ein zu Geweben vergleichbares Energieabsorptionsvermögen aus und hielten den Beanspruchungen dabei stand, ohne Fragmentierungen an der Durchstoßstelle aufzuweisen.

Materialverhalten ermöglicht hohe Umformgrade nm

Kundenspezifisch angefertigte OLU-Preg-Dünnschichtlaminate finden zum Beispiel Anwendung bei der Herstellung tiefgezogener Formteile im Kaltpressverfahren. Die Bereitstellung der Organobleche in Flächen bis 2,5 m² und variablen Dicken basierend auf dünnen Einzelschichten kommt dabei sowohl als Vollverstärkung für thermoplastische FKV-Bauteile als auch für randfaser- beziehungsweise oberflächennahe Endlosfaserverstärkung beispielsweise in Kombination mit GMT zum Einsatz. Das besondere Materialverhalten unter Formänderung, wie es selbst bei den dynamischen Materialprüfungen festgestellt werden konnte, gestattet in Formgebungsprozessen an hierfür erwärmten, plastifizierten OLU-Preg-Organoblechen hohe Umformgrade. Markante Strukturverschiebungen innerhalb der einzelnen Verstärkungslagen oder Strukturhemmungen zwischen denselben, die zu Faltenbildungen führen, lassen sich mit Verwendung des neuartigen thermoplastischen NCF-Composite im Vergleich zu gewebeverstärkten FKV-Materialien deutlich reduzieren beziehungsweise nahezu ausschließen. Die in separaten Schichten angeordneten, direkt orientierten Verstärkungsfasern folgen phasenunabhängig den Formänderungen. Die einzelnen UD-Schichten bleiben beim Gleiten in ihren Matrixeinbettungen vor den Einflüssen der Strukturveränderung umgebender Verstärkungslagen im Laminats geschützt.

In zunehmendem Maße hat sich die Kunststoffverarbeitung das Ziel gesetzt, endfertige, nachbearbeitungsfreie Leichtbauteile unter Verwendung von endlosfaserverstärkten Kunststoffkomponenten herzustellen. Enorme Anstrengungen sind im Gange, die Spritzgießtechnologien für die Erfüllung dieser Zielsetzung mit Blick auf effizienten und großserientauglichen Kunststoff-Verbundleichtbau zu qualifizieren. Neuartige integrierte Bauteil- und Fertigungskonzepte sind im Entstehen, aus denen sich hohe Anforderungen an die Prozess-, Verarbeitungs- und Leistungsfähigkeit von Verstärkungshalbzeugen wie Organobleche richten. Möglichst niedriger Bauraumanspruch bei größtmöglicher Strukturvariabilität, insbesondere in der Zusammensetzung zu belastungsgerechten Laminaten, daraus resultierend möglichst geringe Bauteilmassen bei hohen Materialkennwerten, geringste Beschränkung der Verformbarkeit für größtmögliche Gestaltungsfreiheit in den Bauteilkonstruktionen sind die Herausforderungen für die Verwirklichung des modernen Leichtbaugedankens. In diesem Forschungs- und Entwicklungsumfeld sind spezielle OLU-Preg-Composites entstanden und in Fertigungsprozessen allgemein bekannter Demonstratoren erfolgreich zur Verarbeitung gebracht worden. Auf der zur Anbindungsseite der Spritzgießmasse gewendeten Oberfläche des anzugießenden FKV-Halbzeuges liegen dazu die Verstärkungsfasern nur teilweise in die Matrix des Halbzeuges eingebunden vor. Die einseitig partiell ungebundenen, offenen Verstärkungsfaseranteile des plastifizierten und beim Schließen der Kavität am Werkzeug umgeformten OLU-Preg-Composites können so vom Spritzgießkunststoff durchdrungen und über die Kunststoffanbindung hinaus mikrostrukturell mit der textilbasierten FKV-Komponente verbunden werden. Die ungebundenen Faseranteile sind so quantifiziert, dass deren vollständige Durchdringung und Verbindung mit dem Spritzgießkunststoff erwartet werden kann. Für sämtliche weiterführenden Verarbeitungsweisen mit zusätzlichen Kunststoffkomponenten, wie dem Verpressen mit GMT oder dem Verschmelzen mit spritzgegossenen Formmassen, ist die Einrichtung der Komponentenkompatibilität maßgebliches Kriterium und Orientierung in der Herstellung der OLU-Preg-Organobleche.

Dünnschichtlaminate zeigen Materialverhalten von UD-Laminaten

Durch die OLU-Preg-Technologie können dem Strukturleichtbau im Segment der thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunde neuartige Konstruktionswerkstoffe, die die vielfältigen Forderungen nach Massereduzierung, Strukturvariabilität, Gestaltungsfreiheit und Komponenten- und Verfahrenskompatibilität erfüllen, passgenau zur Verfügung gestellt werden. Mit Verwendung von Faserrovings in niedrigen Feinheiten entstehen textilverstärkte Kunststoffverbunde, die als Non-Crimp-Fabrics mit direkt orientierten Verstärkungsstrukturen im hochproduktiven textilen Verfahren gefertigt zu reproduzierbaren, praktisch verwertbaren Materialleistungen in Großserie führen. Daraus hergestellte, beanspruchungs- und bauteilgerecht gestaltbare thermoplastische Dünnschichtlaminate zeigen typisches Materialverhalten von UD-Laminaten.

Die maßgebliche Wirkung der textiltechnischen und -technologischen Parameter auf die verbundmechanischen Eigenschaften wurde nachgewiesen und für die Optimierung der prozess- und produktorientierten Leistungsentfaltung von OLU-Preg-Organoblechen zur Anwendung gebracht. In weiterführenden Arbeiten mit der TU Chemnitz, Stiftungsprofessur Textile Kunststoffverbunde werden nächste praxisrelevante Kombinationen von Verbundkomponenten zur Diversifikation des OLU-Preg-Technologie- und Produktspektrums erforscht und entwickelt.

Wir danken dem BMWi sowie der AiF Projekt GmbH für die finanzielle Unterstützung unseres Forschungsvorhabens (KF 2498502WO1), dem BMBF für die Förderung des Forschungsprojektes PaFaTherm II im Rahmen des Programms Inno Profile-Transfer, dem Bundesexzellenzcluster Merge sowie der Karl Mayer Malimo Textilmaschinenfabrik GmbH, Chemnitz für die erfolgreiche Zusammenarbeit im Projekt.

* Prof. Dr.-Ing. Frank Helbig ist Leiter der Stiftungsprofessur Textile Kunststoffverbunde am Institut für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz in 09126 Chemnitz, Tel. (0371) 531 366-81, frank.helbig@mb.tu-chemnitz.de, www.strukturleichtbau.net, Mike Scheika ist Geschäftsfüherer der Schwergewebe Konfektion Moers GmbH in 47441 Moers, Tel. (02841) 942 95-0, skm@skm-moers.com, www.skm-moers.com

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