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Sheet Molding Compounds (SMC) im Leichtbau Härterkomponente sorgt für serientaugliche Epoxidcompounds

| Redakteur: Peter Königsreuther

Als echte Materialinnovation bezeichnet Evonik die Kombination aus bestehendem SMC-Grundmaterial und einem besonderen Härter namens Vestalite S. Lesen Sie hier, warum...

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Mit dem auf Diamin basierendem Epoxidhärter Vestalite S von Evonik konnte in Zusammenarbeit mit Lorenz Kunststofftechnik in Kombination mit der bestehenden SMC-Grundrezeptur des Duroplastherstellers ein Material entwickelt werden, das die Anforderungen an den modernen Leichtbau erfüllt, wie es heißt. Auch eigne es sich für die Verwendung in der Großserienfertigung, wie diese Felge beweise.
Mit dem auf Diamin basierendem Epoxidhärter Vestalite S von Evonik konnte in Zusammenarbeit mit Lorenz Kunststofftechnik in Kombination mit der bestehenden SMC-Grundrezeptur des Duroplastherstellers ein Material entwickelt werden, das die Anforderungen an den modernen Leichtbau erfüllt, wie es heißt. Auch eigne es sich für die Verwendung in der Großserienfertigung, wie diese Felge beweise.
(Bild: Evonik)

In der Automobilindustrie, und dann besonders im Leichtbau für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, sind zunehmend Komponenten angesagt, die sich nicht nur durch eine geringe Masse sondern auch durch besonders hohe Steifigkeits- beziehungsweise Festigkeitswerte auszeichnen, sagt Evonik. Um das zu erreichen, werden häufig carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) als mögliche Alternative zu Stahl und Aluminium verwendet. Diese Hochleistungswerkstoffe sind in ihrer Herstellung allerdings besonders teuer und meist nicht in den im Automobilbereich geforderten hohen Stückzahl verfügbar.

Mit Härter und SMC-Grundrezept zum Erfolg

Mit Sheet Molding Compounds (SMC) allerdings werden seit Jahrzehnten Kunststoff-Bauteile gepresst, die aber bisher nicht den vergleichbaren Leichtbaueffekt brachten. Doch einer der Schlüssel zum erfolgreichen Leichtbau ist die Kunststoffkomponente, betont Evonik. Die bei der Carbonvariante meist eingesetzten Epoxidharze, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit mit sich bringen, konnten aufgrund von Schwierigkeiten bei der Verarbeitung von SMC jedoch nicht zur automobilen Marktreife gebracht werden, merkt Evonik an. Mit dem Härter Vestalite S sei es Evonik nun aber gelungen, einen Epoxidhärter zu entwickeln, der diese Schwächen im Compound ausmerze. Zusammen mit der Lorenz Kunststofftechnik GmbH konnte auf Basis der bewährten SMC-Grundrezeptur des Duroplastherstellers so ein Material entwickelt werden, das die Anforderungen an den Leichtbau und auch die Flammwidrigkeit erfüllt, heißt es weiter. Es verfügt außerdem über verbesserte mechanische Eigenschaften und lässt sich sehr gut verarbeiten. Dieser Prototyp eines Epoxid-SMC kann als Alternative zu Stahl oder Aluminium für die Herstellung von Batteriegehäusen genutzt werden, so Evonik.

Epoxid-SMCs waren bisher nichts für die Großserie

Übliche Standard-SMC (Sheet Molded Compounds), die mit Polyesterharzen hergestellt werden, haben in der Regel eine Biegefestigkeit von 200 MPa, ein Biege-E-modul von 10.000 MPa und eine Schlagzähigkeit 90 kJ/m² – und das bei einer Dichte zwischen 1,7 und 1,85 g/cm³. Sie eignen sich deshalb für verschiedenste Applikationen in der Elektro- und Automobilindustrie, darunter beispielsweise für Innenverkleidungen und Radkappen. Speziell im Fahrzeugbau steige jedoch der Bedarf an Materialien mit geringerer Dichte – und somit weniger Masse – sowie verbesserten mechanischen Eigenschaften wie einer Biegefestigkeit von über 350 MPa, einem Biege-E-Modul von über 18.500 MPa und einer Schlagzähigkeit größer 150 kJ/m². „Mit SMCs, deren Rezeptur Epoxid- statt Polyesterharze enthalten, können diese Werte erreicht werden“, erklärt Peter Ooms, Vertriebsleiter bei der Lorenz Kunststofftechnik GmbH. Allerdings sei die Verarbeitung dieser Duroplaste häufig problematisch gewesen und die Pressmassen schwierig zu formen, was die Designfreiheit sehr einschränkte. Bisherige glasfaserverstärkte Epoxid-SMCs waren folglich nicht praxistauglich und haben es deshalb kaum je zur Marktreife für die Großserie geschafft, so Ooms.

Bei Anwendungen, die ein hohes Maß an Leichtbau erfordern, wird aus diesem Grund im Automobilleichtbau häufig auf Carbonfasern gesetzt – wie gesagt, eine teure Wahl. Lorenz setzt dagegen klar auf Glasfasern. „Glasfaserverstärkte Epoxid-SMCs, weisen vergleichbar hohe Festigkeitswerte wie Carbonfasern auf, sind in der Herstellung aber um 50 % günstiger“, lässt Ooms wissen. Darüber hinaus habe Lorenz ein etabliertes Verfahren zum Recycling von glasfaserverstärkten SMC-Materialien in petto – im Hinblick auf die Nachhaltigkeitsanforderungen der Automobilindustrie ein wichtiges Argument für den Einsatz dieser Werkstoffe.

Die Schwächen von Epoxid-SMC sind beseitigt

Ein neues glasfaserverstärktes Epoxid-SMC ohne die bisherigen materialtypischen Schwächen könnte diese Ansprüche nun jedoch erfüllen. Die Voraussetzung dafür bildet ein neues, von Evonik entwickelter Härter: Vestalite S ist ein Diamin-basierter Epoxidhärter, der in Kombination mit Epoxidharzen ein einfach und schnell zu verarbeitendes SMC-Material ergibt“, erklärt Dr.-Ing. Leif Ickert, verantwortlich für das Marketing Composites and Adhesives, Geschäftsgebiet Crosslinkers bei der Evonik Resource Efficiency GmbH. So weisen Compounds mit Vestalite S eine hohe Lagerstabilität der SMC-Pressmasse im nicht ausgehärteten Zustand auf und erlauben trotzdem eine schnelle Aushärtung im Herstellprozess innerhalb von 3 min. „Außerdem sind die Fließ- und Entformeigenschaften des Halbzeugs beim Verpressen verbessert, was eine hohe Bauteilqualität ermöglich“, so Ickert weiter. Hinzu kommt, dass SMC mit Vestalite S keine Styrol- sowie lediglich geringe VOC-Emissionen aufweisen und damit unter anderem für Innenraumkomponenten im Auto gut geeignet sind.

Optimale Ausschöpfung des Epoxid-SMC-Potenzials

Für die Entwicklung eines entsprechenden SMCs arbeitet Evonik seit 2018 auch mit den Duroplast-Experten von Lorenz Kunststoffe zusammen. „Durch diese Art der Kooperation sowie ergänzende Analysen und Fallstudien – beispielsweise im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Alliance – möchten wir aufzeigen, dass unser Härter in Epoxid-SMC die gewünschten Eigenschaften erzeugen kann. Wir bringen die Kompetenz des Epoxidhärters ein, und die Kompetenz für das Halbzeug SMC haben dabei unsere Partner wie Lorenz Kunststofftechnik. Und mit unserem Joint Venture Vestaro GmbH bringen wir die Dimension der Fahrzeugtechnik und Technologieberatung ein“, erläutert Ickert. „Ziel für uns ist es, ein Compound zu realisieren, das das Potenzial von Epoxid-SMC optimal nutzt – also alle Eigenschaften aufweist, die ein Material für den Leichtbau von Automobil- und anderen Komponenten ideal machen. Das ist uns gelungen.“ Das niedersächsische Unternehmen hatte bereits vor sechs Jahren mit SMC 0208 ein im Vergleich zu anderen Standard-SMC besonders flammen- und korrosionsfestes Halbzeug entwickelt, das beispielsweise für Konstruktions- oder Umformteile eingesetzt wird. „Wir haben unsere SMC-Grundrezeptur auch für das Epoxid-SMC genutzt, sie jedoch etwas abgewandelt“, erklärt Ooms. „Das übliche UP-Harz haben wir durch Epoxidharz ersetzt und auch einige weitere Komponenten ausgetauscht. Als wesentliche Zutat wurde natürlich Vestalite S zugemischt.“

So sieht das Resultat aus:

Der SMC-Neuling bringt nun alle mechanischen Eigenschaften mit, die man von üblichen Rezepturen kennt. Darüber hinaus, kleben es nicht mehr im Werkzeug fest und fließe leichter. Seine Schlagzähigkeit liegt bei über 150 kJ/m², heißt es. Damit übertrifft es sogar das Carbonmaterial, so Ooms. „Im Gegensatz zu anderen Kunststoffen sind kaum brennbare Erdölderivate in der Zusammensetzung enthalten“, merkt Ooms an. Und mit einem Sauerstoffindex von über 65 % sei es doppelt so schwer entflammbar wie übliche Kunststoffe, die als extrem flammfest gelten. Selbst bei an der offenen Flamme erlischt es innerhalb kürzester Zeit selbstständig und neigt auch bei großer Hitze nicht zum Verformen oder zum Tropfen. Auch zeigt das Compound bei Temperaturen von -30 °C eine höhere Schlagzähigkeit, so dass man keine Angst vor einer Materialsversprödung oder Brüchen haben.

Günstigere Teile mit erhöhter Sicherheit

Aufgrund dieser Eigenschaften eigne sich das Epoxid-SMC beispielsweise auch als Material für das Batteriegehäuse von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Diese Komponente wird bislang aus Stahl oder Aluminium gefertigt, weil sie wegen des hohen Gewichts der Batterie sehr stabil und belastbar sein muss und bei Unfällen entstehende kinetische Kräfte abfangen soll und gleichzeitig auch kein zusätzliches Risiko im Brandfall darstellen darf, klären die Experten auf. Das neue Halbzeug erfülle diese Ansprüche ebenfalls und erlaube durch die hohe Designfreiheit ein hohes Maß an Bauteil- und Funktionsintegration, mit dem Effekt Kosten und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Sicherheit zu erhöhen. „Wie bei anderen SMC ist auch beim neuen Compound der genaue Eigenschaftenmix nicht in Stein gemeißelt“, erläutert Ooms. Das heißt, die genauen Brand- oder mechanischen Eigenschaften sind einstellbar und je nach Anwendung kann das Maximum herausgeholt oder ein anderer, individuell passender Wert gewählt werden, heißt es abschließend.

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