Waben im Organoblech

Leichtbau

Serientaugliche Herstellung und Verarbeitung für Organosandwiches aus thermoplastischem Wabenkern mit Organoblech-Decklagen.

Das Unternehmen Thermhex Waben und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle arbeiten in einem gemeinsamen Forschungsprojekt an der Entwicklung serientauglicher Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren für Organoblech-Sandwich-Halbzeuge.

Thermoplastische Waben kontinuierlich fertigen

Das patentierte Thermhex-Verfahren ermöglicht die kontinuierliche Inlineproduktion von thermoplastischen Wabenkernen. In konventionellen Verfahren muss jede Lage der Waben einzeln von einem Block geschnitten und anschließend laminiert werden, das macht sie aufwendig und teuer – bei Thermhex dagegen erfolgen alle Produktionsschritte innerhalb einer Produktionslinie.

Jochen Pflug, Geschäftsführer Thermhex Waben Foto: Thermhex
Jochen Pflug, Geschäftsführer Thermhex Waben Foto: Thermhex

Jochen Pflugentwickelt eine Inlineproduktion von thermoplastischen Wabenkernen, auf die in einem kontinuierlichen Prozess organobleche aufgebracht werden.

Nach der Extrusion wird die Materialbahn dabei rotationsvakuumtiefgezogen, aufgefaltet, laminiert und auf die vom Kunden gewünschte Länge zugeschnitten. Mit der Produktionsanlage können Wabenkerne mit 3 bis 30 mm Dicke und einer individuellen Länge bis zu 6 m gefertigt werden, die Produktionsgeschwindigkeit reicht bis zu 10 m/min. Thermhex Waben kann durch dieses Verfahren Wabenkerne in großen Stückzahlen deutlich kostengünstiger produzieren und konnte seit dem Produktionsstart im Jahr 2010 sein Produktionsvolumen mehrfach auf nun 500.000 m² steigern. Die Wabenkerne werden insbesondere von der Faserverbundindustrie zu Sandwichplatten und -bauteilen verarbeitet, die beispielsweise in Lkw-Aufbauten oder im Automobil­interieur Anwendung finden.

Ebenes Organosandwich

Derzeit arbeitet Thermhex gemeinsam mit dem Fraunhofer IMWS an einer serientauglichen Herstellung und Verarbeitung von Organoblech-Sandwich-Halbzeugen (kurz Organosandwich). Dieses Projekt wird durch die EU im Rahmen des EFRE-Programms unterstützt.

Ein Organosandwich besteht aus zwei sehr dünnen Lagen aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen (Organoblechen), die durch einen thermoplastischen Wabenkern auf Abstand gehalten werden, so dass eine hohe Steifigkeit bei minimalem Gewicht möglich wird, und zwar ohne zusätzliche Versteifungsrippen. Besonders kosteneffizient werden diese Halbzeuge dann, wenn sie in einem kontinuierlichen Prozess inline auf den Wabenkern aufgebracht und mit diesem verbunden werden.

In weiteren Produktionsschritten werden diese dann zu Bauteilen weiterverarbeitet. Dazu werden sie beispielsweise umgeformt und durch Spritzguss funktionalisiert. Erst der kontinuierliche Prozess der Wabenproduktion in einer Produktionslinie ermöglicht die Herstellung von kosteneffizienten ebenen Organosand­wiches in einer durchgehenden Produktion, die das kontinuierliche Auflaminieren der Organoblech-Decklagen integriert. Mit einer automatisierten Qualitätskontrolle können darüber hinaus kritische Qualitätsmerkmale im Prozess effizient überwacht werden.

Prozesskette zur Herstellung von thermoplastbasierten Leichtbaustrukturen im Hybridspritzguss Foto: Fraunhofer IMWS
Prozesskette zur Herstellung von thermoplastbasierten Leichtbaustrukturen im Hybridspritzguss Foto: Fraunhofer IMWS
Komplexe Sandwichbauteile aus dem Spritzguss

Die Weiterverarbeitung des Organosandwichs kann für Großserienanwendungen im vollautomatisierten Hybridspritzgießprozess erfolgen. Dieses Verfahren ermöglicht es in vier Prozessschritten, funktionalisierte Sandwichbauteile innerhalb kurzer Zykluszeiten verwertungsfertig herzustellen.

Die ebenen Sandwichhalbzeuge werden zunächst von mittelwelligen Infrarot-(IR-)Strahlern erwärmt. Diese ermöglichen eine präzise Steuerung des Wärmeeintrags, das Matrixmaterial der Decklagen wird dabei über die Schmelztemperatur erwärmt, während der thermoplastische Wabenkern deutlich unter seiner Schmelztemperatur liegt seine Stabilität beibehält.

Dann erfolgt das Einlegen des Sandwichs in die Kavität der Spritzgießmaschine. Dieser Schritt wird vollautomatisiert, schnell und mit hoher Präzision über einen Knickarmroboter durchgeführt. Dies sichert die Aufrechterhaltung des für die anschließende Umformung eingestellten Temperaturprofils im Sandwich.

Dr. Matthias Zscheyge, Gruppenleiter Hochleistungsthermoplaste beim Fraunhofer IMWS Foto: Fraunhofer IMWS
Dr. Matthias Zscheyge, Gruppenleiter Hochleistungsthermoplaste beim Fraunhofer IMWS Foto: Fraunhofer IMWS

Dr. Matthias Zscheyge arbeitet an einem Hybridspritzgießprozess für komplexe Bauteile aus Organosandwiches.

Das Warmumformen der ebenen Sandwichhalbzeuge zu schalenförmigen Strukturen erfolgt während der Schließbewegung des Spritzgießwerkzeugs. Hierbei überlagern sich Abgleitvorgänge zwischen den Fasern, innerhalb der Decklagen und im schmelzflüssigen Matrixmaterial sowie das plastische Verformen des Wabenkerns. Zur prozessnahen Untersuchung des Warmumformverhaltens in vertikaler Einbaulage wurde ein spezieller Versuchsstand entwickelt. Dieser erlaubt eine differenzierte Untersuchung der Scherkräfte in den Laminateinzelschichten und im Sandwichverbund.

Nach vollständigem Schließen der Spritzgießkavität und mit Erreichen einer definierten Schließkraft erfolgt das Funktio­nalisieren der umgeformten Sandwichbauteile im konventionellen Spritzgieß­zyklus. Dabei liegt der Fokus auf punktuellen sowie flächigen Fügestellen mittels neuer Spritzgießtechnik für thermoplastische Sandwichbauweisen. Derart funktionalisierte Sandwichbauteile lassen sich ohne zusätzliche Nacharbeit mit anderen Komponenten, beispielsweise mittels Schraub- oder Nietverbindung, fügen und erhöhen somit das Potenzial zur Integration in bestehende Leichtbaulösungen zum Beispiel in der Automobilindustrie.

Die beschriebenen Entwicklungsschritte werden durch systematische experimentelle Studien sowie versuchsbegleitende numerische Analysen zum Umform- und Werkstoffverhalten unterstützt. Dieser Ansatz ermöglicht eine hocheffiziente  Entwicklung der notwendigen Grundlagen­kenntnisse für die spätere Bauteil- und Prozessauslegung. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen zum Ende der Projektlaufzeit im August 2017 an einer generischen Versuchsstruktur demonstriert werden.

Jochen Pflug und Matthias Zscheyge

 

Anlaufbild: Thermhex