Composites Nur der richtige Materialmix bringt Erfolg

Autor / Redakteur: Thomas Isenburg / Peter Königsreuther

Die Nachfrage nach faserverstärkten Kunststoffen ist schon lange im Aufwärtstrend. Compositeexperten sind deshalb gefragt, weil sie über ein spezielles Know-how bei den Materialien, Prozessen und Anwendungen dieser innovativen Werkstoffklasse verfügen. Mixt man Fasern und Kunststoff anwendungsspezifisch stets schlau, werden die Einsatzfelder und die Akzeptanz noch weiter steigen.

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Bei hybriden Konstruktionen ist auch die adäquate Verbindungstechnik gefragt: Halbhohlstanznieten binden hier den sogenannten Dachspriegel aus CFK beim BMW 7er an. Auch dieser Premiumhersteller setzt auf einen intelligenten Materialmix, um das Thema Leichtbau wirtschaftlich umzusetzen.
Bei hybriden Konstruktionen ist auch die adäquate Verbindungstechnik gefragt: Halbhohlstanznieten binden hier den sogenannten Dachspriegel aus CFK beim BMW 7er an. Auch dieser Premiumhersteller setzt auf einen intelligenten Materialmix, um das Thema Leichtbau wirtschaftlich umzusetzen.
(Bild: BMW)

Im Wettbewerb um Anwendungen geht als Hauptantrieb für den Einsatzerfolg eine große Steifigkeit bei geringer Dichte ins Rennen, wobei es spezifische Anwendungen für Metalle und Composites gibt. Prominentes Anwendungsbeispiel der „Kunststoffe mit Fasern“ finden sich bei Windkraftanlagen, Flugzeugen und Autos. Bei Letzteren sorgt die Kombination aus Stahl und Aluminiumkomponenten auch längst in Serienfahrzeugen von Premiumherstellern für reduzierte Karosseriegewichte.

Thermoplastbasierte Composite werden beliebter

Die wesentlichen Treiber am Compositemarkt sind Glas-, Carbon- und Naturfasern, die in thermoplastischen sowie auch duroplastischen Matrixmaterialien eingebettet werden und nach dem Formen und Aushärten als GFK, CFK oder AFK firmieren. Speziell die durch Wärme reversibel verformbaren Thermoplaste sind in den letzten Jahren besonders im Kommen, erläutert Dr. Elmar Witten, Geschäftsführer des AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. in Frankfurt am Main, zu den aktuell dominierenden Marktbewegungen. Zur Verstärkung der Matrixsysteme werden relativ kurze, aber auch recht lange Fasern genutzt. In den Fokus geraten auch Composites, die mit Endlosfasern ihre Anwendungstauglichkeit erhalten.

Die Pultrusion rückt ins Rampenlicht

Besonders im Aufwind sehen Witten und der Business Development Manager des AVK, Volker Mathes, sogenannte Organobleche, die sich im Bereich der Prozessentwicklung etablierten. Organobleche sind Halbzeuge, die meist in Plattenform vorliegen. Die Platten können in Anlehnung an aus der Metallverarbeitung bekannte Verarbeitungsprozesse zum Beispiel umgeformt werden. Ein wichtiger Aspekt dabei ist das Hinterspritzen der Halbzeuge durch eine Kombination aus Spritzgießen mit anderen Materialien. Weil sich damit kurze Produktionszyklen erreichen lassen, nutzt man diese Methode oft im Umfeld der Automobilindustrie.

Ein weiterer Boom betrifft die Pultrusionstechnik, bei der in einem kontinuierlichen Prozess die Verstärkungsfasern durch ein Bad mit duroplastischem Harz gezogen und so imprägniert werden. So können Glas-, Carbon- oder Aramidfasern vorbehandelt werden. In einer Art Extrusionswerkzeug mit entsprechender Düsengeometrie werden die imprägnierten Faserbündel dann in Wunschform profiliert und ausgehärtet. Ein Indiz für die Relevanz der Pultrusion ist aktuell auch, dass das Münchener Unternehmen Krauss-Maffei sich mit dem Thema immer stärker auseinandersetzt und in entsprechende Anlagen investiert.

Schneller pultrudieren ist nun auch möglich

Sebastian Schmidhuber, Leiter Entwicklung Reaktionstechnik bei Krauss-Maffei, erklärt: „Die Pultrusion ist eine einfache Art, um leichte sowie stabile Profile herzustellen. Es gibt kaum Turn-Key-Angebote und sie ist eine echte Wachstumstechnologie. Außerdem kennen wir uns mit Fasern, Dosiertechnik und der zugehörigen Verfahrenstechnik bestens aus, um dabei eine Schrittmacherfunktion zu erreichen.“

Das Ergebnis der jüngsten Entwicklungsarbeit ist die 2017 auf den Markt gebrachte iPul-Anlage, die mit deutlich höheren Produktionsgeschwindigkeiten als übliche Wannen- oder Durchziehverfahren ganz neue Anwendungen für die Pultrusion eröffnet. Bei der Krauss-Maffei-iPul-Anlage ist etwa der Step der Faserimprägnierung gekapselt. Bisher wurde dieser Schritt in offenen Wannenbädern durchgeführt. Nun können auch schnell polymerisierende Systeme wie Epoxy oder Polyurethan zum Tränken eingesetzt werden. Auch verdoppelt sich die Produktionsgeschwindigkeit von 1,5 auf bis zu 3 m/min, so Schmidhuber. Anwendungen sollen sich beim Fensterbau und für die Windkraft ergeben. Als Matrixlieferanten unterstützen etwa Evonik als Spezialist für Epoxide sowie Covestro mit großem Know-how auf dem Gebiet der Polyurethane das Vorhaben der Münchener.

Die Kosten entscheiden über den Compositeeinsatz

Vor einigen Jahren gab es auch einen regelrechten Hype, CFK im Auto einzusetzen. Ein Treiber in diese Richtung war die BMW AG. Durch den Einsatz von Carbonfasern sollte das Fahrzeuggewicht reduziert werden, um so Kraftstoff einzusparen. Inzwischen ist die Hypephase abgeflaut, wie Dr.-Ing. Armin Kraatz, Spezialist bei der Evonik Resource Efficiency GmbH, feststellt. Die ursprüngliche Aufgabe von BMW i als Keimzelle für die CFK-Technologie ist zunächst abgeschlossen. Die BMW Group setzt auch in Zukunft auf Leichtbau und einen intelligenten Materialmix mit Carbon als bedeutendem Werkstoff. Der Maschinenbau-Ingenieur registriert: „Jetzt geht der Trend dahin, Composites nur dort einzusetzen, wo es wirklich Sinn macht. Ansonsten greift man zu Aluminium oder Stahl.“ Der Hintergrund dafür sind die relativ hohen Kosten für Composites. Jedoch meint der Evonik-Experte auch, dass der Hype viele Verbesserungen bei den Verarbeitungsprozessen gebracht habe. Das habe zu mehr Anwendungen und auch höheren Stückzahlen geführt. Wobei im Vergleich zu vorher heute kürzere Zykluszeiten bei der Umformung und damit ein höherer Output erreicht würden. Die Zykluszeiten bei der Metallumformung sind aber meist wesentlich kürzer. Deswegen finden sich serienmäßig hergestellte carbonfaserverstärkte Komponenten heute in der Regel nur in der Oberklasse, wie zum Beispiel in der 7er-Reihe von BMW. Doch wird auch beim BMW „inext Carbon“ CFK eine wichtige Rolle spielen. Bei Kleinwagen setze man nach wie vor auf metallische Werkstoffe. „Fast immer entscheiden die Kosten über den Einsatz von Composites“, erläutert Kraatz im Hinblick auf das Zusammenspiel von Werkstoffen, Markt und Prozessen.

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Kein Material ist für alle Anwendungen gleich gut

Die Frage nach der Werkstoffauswahl kann der Branchenkenner Witten beantworten: „Es gilt ein Kernsatz, der besagt, dass es ein bestes Material für alle Anwendungen nicht gibt. Im spezifischen Anwendungsfall kann es sein, dass Holz die beste Alternative darstellt, in einem anderen lösen Stahl oder Aluminium das Problem und bei einer dritten Anwendung leisten Composites das Maximale.“ Auch werde immer die Kombination mehrerer Systeme zu einem Hybridbauteil im Blick behalten. BMW etwa setzt den „Carbon Core“ ein. Dabei handelt es sich um ein Kombinationsprodukt aus hochfesten Stählen und CFK. Durch diesen „Carbon Core“ kann etwa im Bereich der B-Säulen des 7er die Auslegung der Blechbauteile angepasst und Gewicht eingespart werden. Dazu erklärt Witten: „Die Zukunft erschöpft sich nicht in Stahl-, Kunststoff- oder Compositelösungen. Es gilt stets, die bestmögliche Kombination oder das anwendungsspezifisch optimale Material zu finden – sowohl in ökonomischer, ökologischer, technischer als auch gesellschaftlicher Hinsicht.“ Ein „Kampf“ der Konstruktionsmaterialien ist laut Witten eigentlich überflüssig.

Aerospace-Spezialisten setzen weiter auf CFK

Außer der Automobilindustrie schicken sich wohl die Hersteller von Eisenbahnzügen an, ein neues, breites Anwendungsspektrum für faserverstärkte Werkstoffe – speziell in Asien – zu erschließen. Auch dabei soll wieder Gewicht eingespart werden, damit zum Antrieb der Züge weniger Energie aufgewendet werden muss als bisher.

Dr.-Ing. Jan Stüve ist Abteilungsleiter für Verbundprozesstechnologie am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Stade. Bei den Carbonfasern sieht der Ingenieur die Anwendungen primär im Bereich der Hochleistungskunststoffe. Doch diese Materialien sind sehr teuer. Die carbonfaserverstärkten Werkstoffe werden deshalb im Profisportbereich sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. „Mit dem Airbus A 350 gibt es bereits ein Flugzeug, das einen hohen Anteil an Carbonfasern hat“, berichtet Stüve.

Verbesserte CFK-Fertigungsmethoden

Bei diesem Flugzeug würden die Fertigungsmethoden nun verbessert, damit die Stückzahlen auch wirtschaftlich erhöht werden könnten. Bei Airbus ist das „Brot-und-Butter-Geschäft“ allerdings die A-320-Familie. Dieses Flugzeug ist zwar weitgehend aus Aluminium gebaut, jedoch bestehen die Seitenleitwerke aus CFK. Auch bei diesem Flieger gelte es momentan, die existierenden Fertigungstechnologien zu verbessern. Zu aktuellen Entwicklungstendenzen befragt, antwortet der DLR-Experte: „Auf der Forschungsseite gibt es ein großes Interesse an carbonfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen.“ Der Vorteil finde sich in der Möglichkeit, Teile aus dieser Art Composites durch thermisches Schweißen relativ einfach miteinander verbinden zu können, weil sich die Matrix aufschmelzen lässt.

Windkraft-Giganten sorgen selbstständig für Schongang im Getriebe

Eine Domäne beim Einsatz faserverstärkter Werkstoffe betrifft die Rotorblätter von Windkraftanlagen. Auch dabei arbeitet das DLR in Stade mit. Genau geht es dabei um die 20 m langen Rotoren für den Testbetrieb, die eine sogenannte Biegetorsionskopplung aufweisen. So ausgerüstet, sollen sich die Giganten bei einfallenden Windböen biegen und aus dem schlimmsten Wirkungsbereich der Böe wegdrehen können – ähnlich wie es ein Blatt am Baum kann. Durch diese Möglichkeit wird die Kraft, die sonst auf die Turbine wirken würde, deutlich abgeschwächt. Weitere Anwendungen lokalisiert Stüve im Maschinenbau: „Immer dann, wenn Massen sehr oft und andauernd beschleunigt und abgebremst werden, sind CFK-Komponenten die Leichtbaulösung.“

Die Anwendungsvielfalt von FVK öffnet auch die Fördertöpfe

Die letzten Jahre resümierend, wächst der Markt für Faserverbundwerkstoffe kontinuierlich. Diese Materialklasse erobert nach und nach Terrain, das zuvor von Metallen und anderen Klassikern der Werkstoffwelt beherrscht wurde. Dieses Voranschreiten wird durch breit angelegte und auch öffentlich geförderte Forschungsaktivitäten unterstützt. Das Ausmaß der möglichen Anwendungen sorgt dabei mit für den nötigen Schub bei den Entwicklungen. Und auch im Bereich Recycling tut sich etwas: Das Unternehmen Magna etwa stellt einen spritzgegossenen vorderen Kotflügel aus zurückgewonnenen PP-Carbonfasern her. Allerdings stehen Compositeanwender auch unter einem hohen Kostendruck. Doch gibt es nach Ansicht vieler Experten wohl kaum Materialsysteme, die in den letzten Jahren eine so steile Karriere gemacht haben wie faserverstärkte Kunststoffe.

Treffen kann man sowohl die „Compositeversteher“ als auch alles rund um die Technologie auf der JEC World 2018, die in diesem Jahr vom 6. bis 8. März in Paris stattfindet, oder vom 6. bis 8. November im Rahmen der Composites Europe in Stuttgart. MM

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