Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten, Leiter des IKT in Stuttgart Foto: IKT

Die Richtung entscheidet

Leichtbau

Prof. Christian Bonten zu aktuellen Entwicklungen beim Faserverbund

Im Prinzip ist jeder Einsatz von Kunststoff eine Form von Leichtbau. Besonders leicht werden die Konstruktionen, wenn Kunststoff mit Glas- oder Kohlenstofffasern als Verbundmaterial zum Einsatz kommt. Wir sprachen mit Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten, Leiter des Stuttgarter Instituts für Kunststofftechnik, wie neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Faserverbundtechnik noch leichtere Konstruktionen möglich machen.

Herr Prof. Bonten, warum sind Faserverbundlösungen in Sachen Leichtbau vielen anderen Lösungen überlegen?
Prof. Christian Bonten: Die besten Ergebnisse beim Leichtbau erzielt man nicht, wenn man Bauteile mit einer möglichst geringen Dichte herstellt, sondern mit Spitzenwerten bei der gewichtsspezifischen Festigkeit und der gewichtsspezifischen Steifigkeit. Dies lässt sich sehr gut durch die Verbindung von Kunststoff mit Glas- oder mit Kohlefasern erreichen.

Und wie groß ist dabei der Einfluss der Faserrichtung?
Prof. Christian Bonten: Sehr groß. Die besten Eigenschaften erreicht man mit gerichteten Langfasern, also Fasern mit einer Länge von mehr als 50 Millimetern, die möglichst lastpfadgerecht in das Bauteil integriert werden sollten. Die Schwierigkeit ist es jetzt, dies mit einem schnellen Prozess umzusetzen. Denn das Spritzgießen ist ja vor allem deswegen so beliebt, weil es eine hohe Formgebungsvielfalt bei kurzen Zykluszeiten und niedrigen Prozesskosten bietet. Inzwischen gibt es aber mehrere interessante Ansätze, mit denen sich die Vorteile gerichteter Fasern auch in Verbindung mit dem Spritzgießen nutzen lassen.

Mehrere? Welche sind dies und was unterscheidet die einzelnen Lösungen?
Prof. Christian Bonten: Gearbeitet wird derzeit mit drei verschiedenen Verfahren: mit der Tapelegetechnologie, mit Organoblechen und mit Pultrudaten. Bei der Tapelegetechnologie wird das Bauteil mit dünnen Schichten aus Fasern und Kunststoff  lokal verstärkt. Diese Tapes können mit einem Roboter in ein Werkzeug eingelegt und dann mit Kunststoff umspritzt werden. Bei diesem Verfahren bilden die Fasern aber meist nur eine Lage, und so können keine allzu hohen Kräfte übertragen werden.
Für mittelhohe Kraftübertragungen bieten sich in das Spritzgießwerkzeug eingelegte Organobleche an. Diese Organobleche – das sind Platten aus langfaserverstärktem Kunststoff – werden erwärmt, eventuell noch verformt und im Werkzeug mit Kunststoff umspritzt. Allerdings sind die Fasern nicht unidirektional, sondern in der Regel in verschiedenen Richtungen angeordnet.
Höchste Ansprüche an Steifigkeit und Festigkeit lassen sich durch die Integration von pultrudierten Profilen erreichen. Bei der Pultrusion werden Endlosfasern durch ein Werkzeug gezogen und mit Kunststoff gemeinsam extrudiert. Dadurch lassen sich Profile, die dicker als Tapes sind, mit hoch ausgerichteten Fasern und einem Faseranteil von bis zu 70 Massenprozent herstellen. Damit entstehen Profile, die in einem vom Spritzgießen entkoppelten Prozess hergestellt und dann ins Spritzgießwerkzeug eingelegt und umspritzt werden können. Die Fasern liegen dann natürlich möglichst genau in der Richtung, in der sie Kräfte übertragen sollen. Diese Pultrudate haben mehrere Vorteile gegenüber dem Umspritzen von Blechteilen aus Metall.

Also auch eine Form von Metallersatz …
Prof. Christian Bonten: Genau, und zwar mit einem Werkstoff, der anders als Metall auch bei hohen Faseranteilen die nahezu gleiche Wärmeausdehnung hat, einfacher zu rezyklieren ist – für die Pultrusion kann der gleiche Werkstoff verwendet werden wie für das spätere Umspritzen – und der noch dazu günstiger in der Herstellung ist. Denn die Blechteile, die heute umspritzt werden, sind meist  teurer in der Verarbeitung, als man denkt. Vor allem Branchen, die sehr auf das Gewicht achten müssen wie Automobil- und Luftfahrtindustrie, arbeiten derzeit intensiv an solchen Lösungen. Leider kann ich dazu nicht ins Detail gehen, denn die meisten Projekte unterliegen strengster Geheimhaltung.

Günter Kögel

 

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