Faserverstärkte Thermoplaste mit Entwicklungsansätzen für Class-A-fähige Oberflächen

Die Faserverstärkung verschlechtert bei Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix die Oberflächenqualität, trotz Lackierung. Das lässt sich jedoch ändern. Ansätze dazu bieten eine...

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Die Faserverstärkung verschlechtert bei Verbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix die Oberflächenqualität, trotz Lackierung. Das lässt sich jedoch ändern. Ansätze dazu bieten eine schwindungsarme Matrix und feine Faserstruktur, aber auch eine matrixreiche Außenschicht oder Lackfolie. Beides zusammen steigert die Qualität der so genannten Organobleche, mit denen man an die Class-A-Oberflächen im Fahrzeugbau herankommt. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit thermoplastischer Matrix haben ein Eigenschaftsprofil, das sie auch für Anwendungen im Automobilbereich grundsätzlich interessant macht. Hierzu zählen im Wesentlichen die Funktionsintegration, hohe Energieabsorption, Recyclingfähigkeit sowie die hohe spezifische Steifigkeit der Verbundwerkstoffe [1]. Letzterer Aspekt wird insbesondere von Thermoplasten mit kontinuierlicher Faserverstärkung gewährleistet, so dass sich hinsichtlich der Ressourcenschonung (Stichwort 3-Liter-Automobil) eine Gewichts- und damit Energieeinsparung mit Hilfe dieser Werkstoffe anbietet.Bisher finden faserverstärkte Thermoplaste, vor allem Pressmassen mit Langfasern (LFT) und Wirrfasermatten (GMT), hauptsächlich im nicht sichtbaren Bereich von Fahrzeugen, zum Beispiel als tragende Teile, Verkleidung und Abdeckung, Verwendung. Für Außenanwendungen spielen sie in der Serienproduktion aufgrund der unzureichenden Oberflächenqualität keine Rolle. Sie erfüllen im Allgemeinen nicht die Qualitätsanforderungen eines Bauteil mit so genannter Class-A-Oberfläche.Vielfältige Fehlerquellen erschweren QualitätsanstiegDie subjektive Erscheinung einer lackierten FKV-Oberfläche setzt sich aus einer Vielzahl visueller Eindrücke zusammen. Dazu kommen noch unterschiedliche Fehler oder Fehlerquellen, die zu betrachten sind. So kann einerseits die Lackschicht selbst Mängel haben: Bei unsachgemäßem Lackauftrag können Verlaufstörungen entstehen. Eine ungenügende Raumreinheit, zum Beispiel aufgrund von vorausgehenden oder nachfolgenden Arbeitsschritten, kann Partikeleinschluss hervorrufen. Zum anderen gibt es Oberflächenfehler, die aus dem Wechselspiel von Substrat und Lackierschicht resultieren: Hierzu zählt zum Beispiel die Farbproblematik, die beim Lackieren unterschiedlicher Substrate auftreten kann. Ein weiteres Problem ist Porosität: Sind bei der Bauteilherstellung Gaseinschlüsse in der Nähe der Oberfläche entstanden, steigt durch Temperaturerhöhung bei der Lackaushärtung auch der Druck des eingeschlossenen Gases. Dies kann zu Lackerhebungen, Bläschen oder gar zum Durchstoßen der Lackschicht (Nadelstiche) führen. Schließlich hat das Substrat auch Oberflächenmerkmale, deren Ursache unabhängig vom Lackauftrag ist. Dies betrifft vor allem das Phänomen der Faserdurchzeichnung. Es entsteht einerseits infolge der ungleichmäßigen Verteilung von Faser- und Matrixanteil im Werkstoff. Andererseits beruht das Phänomen auf der thermischen Matrixschwindung beim Abkühlen, die höher als die der Faserkomponente ist (Bild 1). Zusammenfassend kann man feststellen, dass eine Vielzahl an Oberflächendefekten bei Verbundwerkstoffen möglich ist. Sie überlagern sich gegenseitig und sind infolgedessen nicht immer leicht ursächlich voneinander abgrenzbar.Class A ist Maßstab für hohe OberflächengüteDer Begriff ,,Class-A-Oberfläche" findet zwar häufig Verwendung, doch existiert für ihn keine allgemeingültige Definition oder Norm [2]. Vielmehr sind die Anforderungen, die an Oberflächen gestellt werden, von mehreren Faktoren abhängig: Zum einen rufen die regionalen Märkte (Asien, Europa, USA) aufgrund spezifischer Traditionen unterschiedliche Anforderungen hervor. Zum anderen wird an Fahrzeugen der Luxusklasse gewöhnlich auch ein höherer Maßstab hinsichtlich Oberflächengüte angelegt als bei Wagen der Kompaktklasse. Darüberhinaus spielt die Philosophie der jeweiligen Marke eine Rolle, aber auch die Art und Positionierung des Bauteils am Fahrzeug. Letztendlich muss die Oberflächenqualität eines FKV-Bauteils derart beschaffen sein, dass sie von der eines benachbarten konventionellen Teils nicht mehr zu unterscheiden ist.Bisherige Untersuchungen zur Bewältigung der Oberflächenproblematik basierten insbesondere auf der Verarbeitung faserverstärkter Duroplaste. Theoretische Analysen dieses Phänomens widmeten sich der Texturausbildung an der Oberfläche unidirektional verstärkter und gewebeverstärkter Harze [3 und 4]. Die entwickelten Modellansätze dienen der Abschätzung der Oberflächenwelligkeit in Abhängigkeit von werkstoffrelevanten Kenngrößen.Simulationen zeigen, dass die entstehende Textur unabhängig von der Matrixsteifigkeit ist. Matrixreiche Außenschichten (Deckschichten) können die Oberflächenkrümmung verringern. Neben einer erhöhten Steifigkeit wirkt sich vor allem eine größere Dicke in dieser Hinsicht positiv aus. Einen großen Einfluss hat erwartungsgemäß die normierte Differenz Dath der thermischen Ausdehnung zwischen Faser und Matrix. Es zeigt sich ein quasi proportionaler Zusammenhang zwischen Dath und der Profiltiefe. In der Praxis finden zur Zeit sowohl im Bereich RTM als auch bei der Herstellung von SMC-Bauteilen häufig spezielle Harzsysteme (Low Shrink Polyester) Verwendung, deren Schwindungsneigung beim Abkühlen verringert ist. Somit vermindern sie die Oberflächenwelligkeit [5]. Um in situ eine ansprechende Oberflächenqualität des Bauteils zu bewirken, gewinnen zunehmend Verfahren zum Aufbringen von Kaschierungsschichten und -folien an Bedeutung. Das so genannte In-Mould-Coating findet bei der SMC-Verarbeitung ebenso Anwendung wie beim Verarbeiten von Thermoplasten (zum Beispiel bei Polypropylen) mit Kurzfaserverstärkung [6 und 7]. Gewöhnlich werden die Folien thermisch vorgeformt, in die Form eingelegt und anschließend vom Trägermaterial hinterprägt oder hinterspritzt [8]. Thermoplaste als Matrix sind hinter Duroplasten zurückDass duroplastische Kunststoffe die Arbeiten auf dem Gebiet der Oberflächenoptimierung dominieren, hat erstens einen einfachen Grund: Sie werden als FKV bereits länger verwendet und sind daher auf dem Markt stärker verbreitet als thermoplastische Verbunde. Denn die Imprägnierung von Fasern mit Harzsystemen ist aufgrund ihrer guten Fließfähigkeit grundsätzlich naheliegender als mit einer thermoplastischen Matrix, die auch noch in der Schmelze eine hohe Viskosität hat. Zweitens: Eine thermoplastische Matrix führt im Vergleich zu Duroplasten zu einer höheren Oberflächenwelligkeit, weil die Matrixschwindung im Verarbeitungsprozess höher ausfällt. Zur Zeit bieten nur einige SMC-Typen die Fähigkeit, zu einer Class A-Oberfläche zu kommen, ohne dass eine aufwendige Nachbearbeitung erforderlich ist.Textilverstärkte Thermoplaste im Mittelpunkt der ForschungAm Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) GmbH, Kaiserslautern, wurden in Zusammenarbeit mit dem Ulmer Unternehmensbereich Forschung & Technologie von Daimler-Chrysler verschiedene textilverstärkte Thermoplaste (Organobleche) hinsichtlich ihrer Oberflächencharakteristik untersucht [9]. Variiert wurden Verstärkungstyp, Matrixart, Lagenfolge und Beschichtung. Parallel dazu wurden auch an duroplastischen Substraten (RTM und SMC) sowie an Oberflächen thermoplastischer Pressmassen (GMT und LFT) Untersuchungen vorgenommen.Glanz- und Rauhigkeitsbestimmungen zeigten, dass die blanken Substrate in ihrer Oberflächenrauheit stark schwanken. Duroplastische Substrate und Thermoplaste mit amorpher Matrix haben im Allgemeinen einen höheren Glanzgrad als teilkristalline Thermoplaste. Eine konventionelle Lackierung ist allerdings in der Lage, unabhängig vom Substrat einen hohen Glanzgrad zu bewirken, der auch lackierten Stahlblechen ebenbürtig ist.Aufnahmen mit einem Profilometer illustrieren den großen Einfluss der Matrix auf die Topografieentstehung bei Organoblechen. So erkennt man auf beiden Oberflächen der Bleche die regelmäßige Textur aufgrund der Gewebeverstärkung. Allerdings ist die Profiltiefe bei einer Polyamidmatrix etwa dreimal so groß wie bei der Verwendung von Polycarbonat (PC). Hierfür ist die zusätzliche Kristallisationsschwindung des Thermoplasts verantwortlich.Eine Lackierung kann zwar Unebenheiten abschwächen, Fehlstellen auffüllen und die Rauhigkeit vermindern. Allerdings bleibt die charakteristische Welligkeit unbeeinflusst. Zudem zeigte sich, dass sich nicht nur die außen-, sondern auch die innenliegenden Gewebelagen auf die Textur auswirken.Verschiedene Faserstrukturen liefern unterschiedliche BilderIm Vergleich zu den regelmäßigen Mustern von endlosfaserverstärkten Thermoplasten liefern Verbundsysteme mit Wirr- und Mattenfaserverstärkung ein deutlich anderes Oberflächenbild: Man erkennt auf der GMT-Oberfläche eine regellose Verteilung der Faserbündel und lokal unterschiedliche Faservolumenanteile. Dies resultiert aus dem Herstellungsprozess (Vernadelung) des Verstärkungsmaterials. Die oben beschriebenen Texturen verursachen eine charakteristische Welligkeit, die optisch mit bloßem Auge wahrgenommen und auch quantitativ, zum Beispiel mittels Profilometrie (senkrechtes Abtasten der Probe mit einem Laserstrahl (Gerät Wavescan-Plus von Byk-Gardner, Geretsried) beurteilt werden kann.Was thermoplastische Pressmassen betrifft, zeigt sich, dass trotz derselben Matrix (PP) und desselben Faservolumengehalts (etwa 20%) Nadel-GMT eine deutlich stärkere Welligkeit erzeugt als Papier-GMT. Grund dafür ist, dass beim Papier-GMT die Fasern nicht mehr in Rovings vorliegen und homogener verteilt sind. Die Welligkeit eines herkömmlichen Organoblechs (teilkristalline Matrix und Köper-2/2-Gewebe) hat dieselbe Größenordnung wie die von Nadel-GMT. Wie sich bereits bei der profilometrischen Analyse angedeutet hat, bewirkt eine amorphe Matrix (PC) eine deutliche Absenkung dieser Welligkeit. Die Verwendung eines feineren Atlas-1/7-Gewebes kann die Langwelligkeit geringfügig herabsetzen, weil der Rovingdurchmesser und die Überlappungsdichte zwischen Kett- und Schussfäden kleiner sind. Durch synergetische Kombination der Werkstoffparameter - zum Beispiel der Kombination feines Gewebe, amorphe Deckschicht und optimale Lackierung - wird die Oberflächenwelligkeit so weit reduziert, dass sie von der Beschaffenheit eines lackierten Stahlblechs kaum mehr zu unterscheiden ist. Eine ähnliche Wirkung erzielen thermoplastische Lackfolien (Hersteller Senotop Klepsch & Co. GmbH & Co. KG, Piesendorf/Österreich), die von den Organoblechen hinterpresst werden.Literatur[1]Kakarala, N.: Trends in Automotive Plastics Proceedings. In: Volume of the Antec '99 in New York, P. 2894-2898. SPE, Brookfield.[2]Seefried, J.: SMC-Außenhautteile in Class-A. Tagung ,,SMC Automotive" in Sindelfingen, 1998.[3] Kia, H.: Modeling Surface Deformation of Glass Fiber reinforced Composites. Journal of Composite Materials. 20/1986, P. 335-346.[4]Chamis, C., P. Murthy and J. Sanfeliz: Computational Simulation of Surface Waviness in Graphite/Epoxy Woven Composites due to Initial Curing. Volume of the 37th International Sampe Symposium 1992, P. 1325-1338.[5]Bartkus, E. J., and C. H. Kroekel: Low Shrink reinforced Polyester systems. In: Volume oft the Applied Polymer Symposium 1970, P. 113-135.[6]Kocur, I., and J. Ziehm.: Process Improvment for In-Mold-Coating. Volume of the 41th Annual Conference of the Society of the Plastics Industry, 1986, P. 1-4, Reinforced Plastics/Composites Institute.[7]Mc Carthy, S. et al.: A new Approach for In-Mould-Finishing - The valiy Surface Finishing/Compression molding Process. Volume of the Antec '99 in New York, P. 2911-2915. SPE, Brookfield.[8]Blass, R., A. Grefenstein, und J. Kappacher: Coextrudierte Folien für die Hinterspritztechnologie. Kunststoffe 3/1999, S. 96-101.[9]Blinzler, M., F. Hoecker und M. Neitzel: Oberflächentexturen bei gewebeverstärkten Thermoplasten. Kunststoffe 11/1999, S. 128-130.