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Steigender Kostendruck forciert die Entwicklung so genannter Direktverfahren zur LFT-Verarbeitung. In den vergangenen Jahren haben Bauteile aus langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT) einen stetig...

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Steigender Kostendruck forciert die Entwicklung so genannter Direktverfahren zur LFT-VerarbeitungIn den vergangenen Jahren haben Bauteile aus langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT) einen stetig wachsenden Marktanteil bei Automobilanwendungen erzielt. Argumente für den Einsatz dieser Werkstoffgruppe sind das geringe spezifische Gewicht, die große spezifische Steifigkeit, die Möglichkeit der Funktionsintegration, die Chemikalienbeständigkeit sowie die guten Dämpfungseigenschaften und die hohe Schwing- und Dauerfestigkeit [1]. Jedoch wird von den Automobilbauern auch bei diesen Werkstoffen steigender Kostendruck auf die Zulieferer ausgeübt, was zur Entwicklung so genannter Langfaserthermoplast-Direktprozesse (LFT-D) führte. In diesen Verfahren wird die Halbzeugherstellung vermieden und das Formteil beim Verarbeiter direkt aus den Ausgangsstoffen - thermoplastische Matrix und Verstärkungsfaser - hergestellt. Damit unterscheiden sich die Direktverfahren grundsätzlich von den Prozessen, die Halbzeug verarbeiten: wie GMT und LFT-G.Erhöhte Wirtschaftlichkeit bei GroßserienfertigungErste Varianten der Direktverfahren werden seit über fünf Jahren zur Serienfertigung angewandt, wobei sich die reduzierten Werkstoffkosten insbesondere in Großserien und bei großvolumigen Bauteilen auswirken [2]. Den Trend zu den Direktverfahren unterstreichen auch die Entwicklungen von Spritzgießmaschinen mit Inline-Compoundierung, die zurzeit dem Markt vorgestellt werden [3 und 4]. Diese Maschinen haben ein Aggregat zur Faserdirekteinarbeitung, ähnlich den LFT-D-Aggregaten, und eine Kolbendosiereinheit für den Spritzgießprozess.Um die thermoplastischen Verbundwerkstoffe auch für höher belastbare Strukturteile einzusetzen und in Zukunft Alternativen zu Stahl und Aluminium zu schaffen, müssen außer Lang- auch Endlosfasern eingearbeitet werden. Dadurch wird eine Kombination aus hoher spezifischer Steifigkeit (Endlosfasern) und der Designfreiheit eines fließfähigen Werkstoffs erreicht. Grund für den Einsatz solcher Faserverbundstrukturen ist die Gewichtseinsparung bei hoher Festigkeit und Schlagzähigkeit, die insbesondere bei crashrelevanten Bauteilen Vorteile hat. Hindernisse für die Verwendung solcher Strukturen sind jedoch fehlende wirtschaftliche Produktionsverfahren und hohe Werkstoffkosten. Durch Anwendung von Direktverfahren - verbunden mit einem hohen Automatisierungsgrad - können diese Werkstoffe allerdings der Großserie zu akzeptablen Kosten zugänglich gemacht werden.Aufgrund der flexiblen Anwendung der Direktverfahren hinsichtlich Werkstoffauswahl oder -modifikation und den einstellbaren Verarbeitungsparametern können Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix, Endlos- und Langfaserverstärkung direkt auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt werden. Im Gegensatz zur Halbzeugverarbeitung bestimmt damit nicht der Werkstoff die Bauteileigenschaften. Vielmehr legen die Anforderungen des Bauteils fest, wie der Werkstoff der Anwendung anzupassen ist. Dies bezieht sich beim LFT-D-Verfahren insbesondere auf die Eigenschaften der polymeren Matrix. Dagegen fällt bei Mischstrukturen aus lang- und endlosfaserverstärkten Thermoplasten der flexiblen Automation die entscheidende Rolle zu. Direktverfahren bieten die Möglichkeit, Mischstrukturen aus LFT und Endlosfaserverstärkung für strukturelle Anwendungen zu realisieren. Dazu werden die Endlosfasern lokal lastorientiert in die Bauteilstrukturen eingebracht.Automatische Verarbeitung von Endlos- zu LangfasernDie LFT-D-Verfahren sind Verarbeitungsprozesse, bei denen die Verstärkungsfasern im Prozess als Endlosrovings in eine bereits aufgeschmolzene Kunststoffmatrix eingezogen werden. In der Maschine folgt das Zerteilen zu Langfasern, das Imprägnieren, Dispergieren und Homogenisieren. Das so erzeugte langfaserverstärkte Kunststoffplastifikat wird durch eine Flachdüse ausgetragen und in einem Presswerkzeug zum Bauteil geformt. Der Fasereinzug erfolgt kontinuierlich durch Schneckendrehung. Damit entsteht ein homogenes Plastifikat mit vernachlässigbar geringer Abweichung des Fasergehalts. Das Plastifikat wird mit gleichmäßiger Stranggeometrie bei geringem Staudruck aus der Flachdüse ausgetragen. Ein nachgeschaltetes Abzugsband mit Schneideeinheit dosiert die Plastifikate auf das gewünschte Bauteilgewicht.Die Weiterentwicklung des LFT-D-Verfahrens hat zum Ziel, höhere Rohstoffdurchsätze, eine Steigerung der Werkstoffqualität und Verfahrensflexibilität zu erreichen. Das führte zur Mehrmaschinentechnik mit zwei getrennten Aggregate. Das Erzeugen des faserverstärkten Plastifikats erfolgt einerseits mit einem Zweischneckentextruder zum Aufschmelzen und Compoundieren des Polymers, andererseits mit einem Zweischneckengerät zur Fasereinarbeitung und Homogenisierung des Plastifikats. Indem die Schneckendrehzahl des Polymeraufschmelzprozesses von der Drehzahl der Fasereinarbeitung getrennt ist, wird das Verfahren den Anforderungen der einzelnen Prozessschritte gerecht. Das ermöglicht ein Optimieren der Werkstoffkennwerte. Zudem ist der mit dieser Technik realisierbare höhere Durchsatz ein positiver Kostenaspekt.Um eine Rezyklateinarbeitung auf hohem Niveau zu ermöglichen und die Faserlängen zu erhalten, werden die Rezyklatchips in einem separaten Einschneckenextruder schonend aufgeschmolzen. Die Erweiterung der LFT-D-Anlage um einen Rezyklatextruder ist besonders bei höheren Rezyklatmengen sinnvoll. Bei der Compoundherstellung wird das Polymer mit Additiven gemischt, aufgeschmolzen und regranuliert. Das ist jedoch ein teurer und werkstoffschädigender Schritt, der mit der Inline-Compoundierung entfällt. Das Inline-Compoundieren erlaubt im gegenüber der Compoundherstellung eine hohe Flexibilität in der Prozessführung - damit die Besetzung von Marktnischen, wie das bei der Herstellung von Bauteilen aus langglasfaserverstärktem ABS, PET und PA der Fall ist. Diese Märkte sind aus Mengen- und Kostengründen unzureichend versorgt.Je nach Menge des zugeführten Rezyklatstroms werden Additive wie Stabilisatoren und Faser-Matrix-Koppler inline compoundiert. Den Vorteilen der Inline-Compounding stehen aber die gesteigerten Anforderungen an den Verarbeiter gegenüber. Das sind im Wesentlichen das erforderliche Know-how zur Additivierung und eine entsprechende Anlagentechnik. Am Fraunhofer ICT wird die LFT-D-ILC-Technik für die Verarbeitung von Kohlenstoff- und Naturfasern weiterentwickelt.Durch Auswahl von Additiven - besonders Faser-Matrix-Kopplern - lassen sich im LFT-D-Verfahren Steifigkeit und Schlagzähigkeit von Polypropylen mit Glasfaserverstärkung in einem weiten Bereich einstellen. Untersuchungen zeigten, dass eine gute Kopplung an der Grenzfläche Faser-Matrix die Zugfestigkeit und den Zugmodul erhöht, die Schlagzähigkeit jedoch verringert [5]. Die Eigenschaften der Rohstoffe Polypropylen (Molmasse, MFI) und Glasfasern (Art der Schlichte) spielen hier ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Ermittlung einer bauteilspezifischen Rezeptur für Polymer und Fasern ist daher wesentlicher Bestandteil der Projektierung eines LFT-D-Bauteils. Rezepturen in Bild 3 zeigen den deutlichen Einfluss auf die Werkstoffkennwerte bei Variation der Rezeptur im Inline-Compoundierprozess.Langfaserverstärkte technische Thermoplaste haben besonders aufgrund der hohen spezifischen Steifigkeit und der hohen Energieaufnahmevermögens ein großes Anwendungspotenzial für strukturelle Automobilteile (Konzeptfahrzeuge CCV und ESX3 von Daimler-Chrysler [6]). Die Machbarkeit der Verarbeitung technischer Thermoplaste wie PET, PA und ABS im LFT-D-Verfahren wurde am Fraunhofer ICT nachgewiesen. Diese Werkstoffgruppe erschließt aufgrund höherer mechanischer Kennwerte und Temperaturbeständigkeit neue Anwendungen für Langfaser-Thermoplaste, die im Direktverfahren verarbeitet werden: Gegenüber LFT Polypropylen mit 30% Glasfaseranteil hat das LFT PET mit 30% Glasfaseranteil wesentlich höhere Zugfestigkeits- und Durchstoßkennwerte, die auch bei Betrachtung der spezifischen Eigenschaften höher liegen. In Bild 4 sind die Kennwerte von PET und PP gegenübergestellt, die im LFT-D-Verfahren verarbeitet wurden. Die Zugfestigkeit, die Durchstoßenergie und die auf die Dichte bezogenen spezifischen Eigenschaften zeigen das Potenzial dieser LFT-Gruppe.Mehr Designfreiheit durch MischstrukturenStrukturen aus lang- und endlosfaserverstärkten Thermoplasten ermöglichen eine Kombination der Designfreiheit eines fließgepressten Bauteils (zum Beispiel mit kleinen Radien, Rippen) mit den hohen mechanischen Kennwerten von gezielt orientierten, unidirektionalen Endlosfasern. Die Bauteile werden in den lasttragenden Bereichen mit Endlosfasern in Form von Geweben oder Profilen verstärkt und realisieren so konsequenten Leichtbau.Eine erprobte Lösung für lang- und endlosfaserverstärktes Polypropylen sind gewebeverstärkte GMT-Platinen. Bei Stoßfängern oder Unterbodenabdeckungen werden unverstärkte GMT-Zuschnitte mit gewebeverstärkten GMT-Zuschnitten ergänzt und verpresst (lokale Verstärkung). Gewichtsersparnis, hohe Schlagzähigkeit, und erhöhtes Energieaufnahmevermögen sind erzielte Bauteileigenschaften [7]. Die hohen Kosten der verstärkten GMT-Halbzeuge gegenüber den LFT-D-Verfahren behindern jedoch den verstärkten Einsatz dieser Technologie.Um Endlosfaserverstärkungen in LFT-D-Teilen einzusetzen, werden zurzeit Verfahren entwickelt, bei denen Endlosfasern als Gewebe, Profile und inline gewickelte Preforms separat aufgeheizt und zeitgleich mit dem Plastifikat im Werkzeug positioniert werden. Den Handlingsystemen fällt dabei eine zentrale Rolle zu. Durch entsprechende Werkzeuggeometrie und Positionierhilfen werden die Verstärkungen im Werkzeug fixiert und mit dem Plastifikat verpresst. Die Bauteile lassen sich optimal lastorientiert verstärken, wobei die Kostenvorteile der Direktverfahren genutzt werden.Literatur[1] Michaeli, W., und M. Wegener: Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe. München: Carl Hanser Verlag 1990.[2] Brüssel, R., und R. Kühfusz: Ein Jahr Serienproduktion von langfaserverstärktem Thermoplast mit dem Direktverfahren bei Menzolit Fibron. 1. Internationale AVK-TV-Tagung in Baden-Baden, 1998.[3] N.N.: Direktverarbeitung mit der IMC-Baureihe. Informationsschrift der Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, München, 2001.[4] N.N.: Langfaser-Technologie/Twinject S-LFT - Inline-Compounding und Spritzgießen von Langfaser-Thermoplasten. Informationsschrift der Coperion Werner & Pfleiderer GmbH & Co KG , Stuttgart, 2001.[5] Tröster, S., und R. Brüssel: Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit in-line-compoundierter thermoplastischer Matrix im Direktverfahren. 4. Internationale AVK-TV-Tagung in Baden-Baden, Oktober 2001.[6] Stewart, R.: Composites the driving force behind concept vehicle. Compo-sites Technology 2001/7-8.[7] Nowotny, M.:, Symalit-Halbzeugkonzepte und Entwicklungen. SKZ-Tagung ,,Langfaserverstärkte Thermoplaste im Automobilbau" in Würzburg, 9. und 10. November 1999.