Leichtbau Luftiges Material-Know-how lässt Kfz-Türverkleidung abspecken

Viele reden vom Leichtbau in der Mobilität, um Sprit zu sparen oder das Batteriegewicht zu kompensieren. Wissenschaft und Industrie demonstrieren nun praktisch wie das mit Schaumstoffen funktioniert.

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Technische Universität Dresden Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik

ARBURG GmbH + Co KG

Gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie (unter anderem Arburg) haben Forscher des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden im FOREL-Technologieprojekt „Sampa“ eine neuartige Fahrzeug-Seitentür entwickelt, an dem die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von polymeren Partikelschäumen im Verbundsystem demonstriert werden. Dabei wurde, betonen die Protagonisten, auch eine neue Prozesskette zur kombinierten Verarbeitung von Kunststoffen durch Schäumen und Spritzgießen entwickelt und umgesetzt.

Partikelschaum erobert neue Einsatzfelder

Die großen Einsatzpotenziale, die sich aus den guten thermischen Eigenschaften und dem hohen Energieaufnahmevermögen dieser Materialien ergeben, werden bisher insbesondere im Bausektor und der Verpackungsindustrie genutzt. In den letzten Jahren zeige sich darüber hinaus ein Trend hin zu weiteren Anwendungsfeldern, die sich vom Sport- und Freizeitbereich bis hin zum Automobil- und Flugzeugbau ausdehnten. Speziell für die hohen Anforderungen in derartigen Branchen ist die umfassende Kenntnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen jedoch unerlässlich, so die Forscher. In diesem Zusammenhang widmeten sich die Projektpartner verschiedenen Forschungsschwerpunkten, darunter der Werkstoffcharakterisierung, der durchgängigen Prozess- und Struktursimulation, der Prozessführung über den Werkzeugbau und die Qualitätssicherung bis hin zur werkstoffgerechten Fügetechnik.

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Simulations- und Berechnungsmethoden entwickelt

Die Entwickler des Sampa-Konsortiums haben dazu expandiertes Polypropylen (EPP) mittels vielfältiger Analysemethoden ausführlich charakterisiert, wie es heißt. Dabei wurde auch mithilfe der Computertomographie (CT) die Schaumzellstruktur umfangreich analysiert und in der Struktursimulation in Form von repräsentativen Volumenelementen abgebildet. Auf diese Weise habe man eine einzigartige virtuelle Prüfmethode entwickelt, die es erlaube, dichteabhängige, mechanische Materialkennwerte simulativ zu ermitteln.

Darüber hinaus konnten die Forscher eine neuartige Berechnungsmethodik erfolgreich erproben, die es ermöglicht den Formfüllvorgang beim Partikelschäumen nachzubilden. Dadurch, erklären die Experten, ist es zukünftig möglich, die Befüllungspositionen an der Kavität zu optimieren, um die Qualität der Bauteile und nicht zuletzt die Reproduzierbarkeit des Prozesses zu steigern.

Von innovativer Verarbeitung bis zur Qualitätssicherung

Anhand von insgesamt sieben Formwerkzeugen für die Kunststoffverarbeitung durch Schäumen und Spritzgießen anderer Komponenten, konnten die Werkzeugbauer außerdem neuartige Konzepte zur Funktionalisierung von Partikelschäumen umsetzen, heißt es. Dazu konnten unter anderem neue Laserstrukturierungen der Werkzeugoberfläche entwickelt werden, die die Kratzfestigkeit des Partikelschaums erhöhen. Zusätzlich erreichten die Wissenschaftler die flächige Funktionalisierung des EPP mittels Spritzgießen an einem Türdemonstrator im Griffbereich. Dazu bedürfe es außer einer dem Prozess angepassten Temperierung des Spritzgießwerkzeugs einer speziell angepassten Prozessführung, um eine gute Verbindung zwischen Partikelschaum und Spritzgießmasse zu garantieren.

Zur Erhöhung des Prozessverständnisses wurden Qualitätssicherungsmethoden erarbeitet und umgesetzt, welche unter anderem den Partikeltransport beim Füllen der Form überwachen und etwaige Prozessschwankungen frühzeitig aufdecken.

Schäumen von Kunststoffen

Das Wichtigste über Schaumstoffe und das Schäumen von Kunststoff

Lastverteilender Maximalleichtbau aus der Bionik

Die Ergebnisse des Vorhabens werden im Technologiedemonstrator, einer Fahrzeug-Seitentür (siehe Bilderstrecke ), präsentiert. Das mehrteilige Konzept beweise die enorme Funktionalisierbarkeit von Partikelschaum. Zur Montage der Komponenten sind an die Belastung angepasste Inserts eingeschäumt worden. Dabei handelt es sich sowohl um Kunststoffinserts für die sichere Montage als auch um metallische Varianten, die eine werkstoffgerechte Lastaufnahme vom Griff direkt in den Türquerträger gewährleisten, sagen die Forscher. Einer davon ist hier in Form einer bionisch inspirierten und einschäumbaren Aluminiumtragstruktur umgesetzt worden, die es unter Maximierung des Leichtbaugrads erlaubt, wirkende Lasten an die Fahrzeugkarosserie abzuleiten. Darüber hinaus werde die Flexibilität hinsichtlich der Integration von elektronischen Elementen in Partikelschaumstrukturen aufgezeigt: So sei für Display, Mini-PC, Beleuchtung und Kabel ausreichend Platz im EPP-Grundkörper der Tür geschaffen worden. Auch die großflächige Überflutung mittels Polyurethan konnte an einem Konzept für die Türaußenseite erfolgreich umgesetzt werden, heißt es.

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