Leichtbauerfolg Hybrides Textil vereint Verstärkungsfaser und Matrix

Redakteur: Peter Königsreuther

Die Wirtschaftlichkeit eines Serien-Leichtbauproduktes steht und fällt mit den Fertigungszeiten. Eine neues Hybridtextil vereinfacht Prozesse nicht nur, sondern spart sie im Idealfall ganz.

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Thinking September: Die Gustav Gerster GmbH & Co. KG vereint in einem neuen Hybridtextil Verstärkungsfaser und Kunststoffmatrix in einem Gewebe. Das spart komplette Prozessschritte.
Thinking September: Die Gustav Gerster GmbH & Co. KG vereint in einem neuen Hybridtextil Verstärkungsfaser und Kunststoffmatrix in einem Gewebe. Das spart komplette Prozessschritte.
(Bild: Gustav Gerster)

Limitierend auf die Serientauglichkeit wirkt sich bei leichten Strukturbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen meist der hohe Handhabungsaufwand aus, der aufgrund einiger Umlagerungen in der Fertigungszelle entsteht, erklären die Experten der Leichtbau-BW. Ein wichtiger Schritt zur Entspannung der Lage, ist nun dem Unternehmen Gustav Gerster GmbH & Co. KG gelungen. Denn in seinem neuartigen Hybridtextil wurden Verstärkungsfaser und Kunststoffmatrix in einem Gewebe vereint. Die Anwendung derselben im Leichtbau zerschlage quasi den Zykluszeit-Knoten. Das Textil bleibt trotz eingewebter Matrix sehr gut drapierbar und ist deshalb für endkonturnahe Umformungsprozesse anwendbar. Im Prozess könnte es das bisher verwendete Organoblech ersetzen.

Textilien aus Garn mit integrierter Thermoplastmatrix

Für Leichtbauteile aus Faserverbundwerkstoffen geht der Trend in den letzten Jahren zur Variante mit thermoplastischer Matrix, heißt es weiter. Oft werden als Halbzeuge zur Teilefertigung Organobleche in Form konsolidierter, zugeschnittener Platten genutzt, die zuvor aus Endlosverstärkungsfasern eingebettet in einer thermoplastischen Kunststoffmatrix herstellt. Zur Umformung in ein Bauteil muss das Organoblech aber wieder aufgeheizt werden, bevor es seine Endkontur erhalten kann.

„Die Idee hinter Drapfix beziehungsweise Draptex Hybrid ist, sich in diesem Prozess einen Aufheizschritt zu sparen“, erklärt Annika Muckenhaupt, Projektleiterin Composites bei Gustav Gerster, und dabei im Geschäftsbereich Gerster Tech-Tex beschäftigt. „Wir nehmen dazu Hybridtextilien, die die thermoplastische Matrix schon im Garn enthalten. Deshalb müssen sie nur noch ins zu verstärkende Bauteil oder ins Werkzeug eingelegt werden, bevor man sie zeitgleich erhitzt und umformt“, führt Muckenhaupt weiter aus. Hier ein kurzer Blicm auf die sich daraus ergebenden Vorteile für Leichtbau-Hersteller:

  • Zeit- und kostensparend: mit deutlich vereinfachtem Prozess zum Leichtbauteil;
  • Komplexe Strukturen: durch biegeschlaffe Textilien mit exzellenten Drapiereigenschaften;
  • Materialeffizient: durch weniger Verschnitt aufgrund einfacher Formanpassung;
  • Verbesserte mechanische Bauteileigenschaften: durch geringere Faltenbildung und stabile Faserlage.

Auch Naturfasern wären als Verstärkung denkbar

Drapfix respektive Draptex Hybrid ist ein biaxiales Gelege (0°/90°) hergestellt aus Hybridgarnen. Diese entstehen durch einen Spinnprozess, über den gewährleistet wird, dass sich beide Materialien – Glasfaser und Thermoplast – homogen in einem Garn verteilen, heißt es.

Durch die gleichmäßige Durchmischung beider Werkstoffe als Garn – also auch im daraus hergestellten Textil – profitiert man beim Aufschmelzen des Halbzeugs von besonders kurzen Fließwegen der thermoplastischen Matrix. Das zahlt sich in relativ kurzen Zykluszeiten für die Herstellung des FVK-Bauteils aus, so Gerster. Die Zykluszeiten seien aber unterschiedlich und abhängig vom Bauteil sowie der gewählten Faser-Matrix-Kombination im Textil.

Mit der so möglichen Direktumformung konnten schon Demonstratoren mit Glasfasern und PP (Polypropylen) als Matrixkunststoff gefertigt werden. In der Testphase befinden sich Bauteile mit Drapfix/Draptex-Hybrid aus Glasfasern und PA (Polyamid) als Matrix, heißt es weiter.

„Denkbar sind auch Naturfasern, beispielsweise Leinen, als Verstärkungsfasern“, merkt Annika Muckenhaupt an. Diese Möglichkeit befinde sich entwicklungstechnisch jedoch noch im Anfangsstadium.

Vorteil: Faltenfreies Anschmiegen an komplexe Strukturen

Werde das Hybridmaterial direkt in die Form eingelegt, passe es sich aufgrund der guten Drapiereigenschaften des Grundtextils Drapfix faltenfrei an die Kavitätsstruktur an. Das Umformen wird prozesssicherer sowie einfacher und das Bauteil in seinen mechanischen Eigenschaften berechenbarer und optimierbar. Denn die Fasern behalten die gewünschte Ausrichtung und Lage im Textil und damit auch im fertigen Bauteil bei.

Textiltechnisch sind dafür frei bewegliche Fasern verantwortlich, sagt Gerster. In der Fertigung erfolgt das Ausstreichen aber bisher von Hand oder automatisiert mithilfe kleiner Rollen – das war aufwendig. Komplexe Geometrien wie Eckwinkel oder tiefe Mulden sind aber nun in einem Schritt drapierbar.

Das ist der vorteilhafteste Unterschied dieser Alternative zu Organoblechen: Durch die Biegeschlaffheit des Textils und die besondere Bindung passt sich das Hybridmaterial auch dort sehr gut an, wo ein Organoblech schon längst an seine Einsatzgrenzen stößt.

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Aufgrund oben geschilderten Anpassungsfähigkeit können Arbeitsschritte wegfallen. Dazu zählt etwa die Nacharbeit am Gelege, wie das Einschneiden von Ecken, um Falten vorzubeugen. Der Einsatz von Drapfix/Draptex Hybrid führt also nicht nur zu Zeit- und Kosteneinsparungen, sondern macht durch einen materialeffizienteren Prozess die Bauteilfertigung noch wirtschaftlicher.

„Grundsätzlich erleichtert das hybride Biaxial-Gelege aufgrund seiner textilen Eigenschaften die Konsolidierung und Umformung von Bauteilen“, fasst Muckenhaupt zusammen.

Anwendungen sollen sich in der Automobilbranche sowie in der Luft- und Raumfahrt finden. Hersteller von Nutzfahrzeugen oder Reisemobilen könnten von diesem Material ebenso profitieren wie Sportgerätehersteller, heißt es. Das Unternehmen Gustav Gerster sucht für dieses innovative Hybridmaterial übrigens Industriepartner, um in einem gemeinsamen Projekt den Weg in die Serie weiter voranzutreiben.

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