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Weitere Informationen:

Dipl.-Ing. Jens Jung
Projektingenieur
CirComp GmbH, Kaiserslautern

Tel.: +49 (0)6301/7152-215
E-Mail: jung@circomp.de

 

BMBF

MAI CARBON

13. November 2015

MAI Carbon Projekt "MAI skelett"

Thermoplastische Composite-Hybride für die Serienanwendung  

Gegenwärtig kann branchenübergreifend eine steigende Nachfrage nach hochfesten CFK-Bauteilen beobachtet werden. Im Bereich Automotive sorgt vor allem BMW mit der i-Reihe für einen CFK-Boom. Erstmals gelang die Herstellung eines Fahrzeugs, dessen Karosserie zu großen Teilen aus CFK besteht, in einer mittleren Seriengröße von 10.000 p.A.. Bisher beschränkte sich der Einsatz von Faserverbundbauteilen im Automobilbereich auf auserlesene Sportwagen bzw. auf den Rennsport mit traditionell geringen Stückzahlen. Im Gegensatz zur Luft- und Raumfahrt oder dem Windenergiesektor ist im Automotive-Bereich die technische Notwendigkeit des Einsatzes von Faserverbundmaterialien nicht in dem Maße gegeben um entsprechende Mehrkosten für Gewichtseinsparungen zu akzeptieren. Daher bedarf es der weiteren Senkungen von Bauteilkosten, um hochfeste Faser-Kunststoff-Verbunde in High Volume – Anwendungen platzieren zu können. Kostenreduzierungen resultieren u.a. aus Prozessverbesserungen oder aus geschickten Gestaltungsansätzen (z.B. Composite-Hybride). [1]
Das Forschungsprojekt „MAI skelett“ greift bei diesen beiden Maßnahmen an. Im Vordergrund des Projekts stand die Forderung zur Herstellung kostengünstiger CFK-Hochleistungsbauteile in hoher Stückzahl. Die Umsetzung erfolgte am konkreten Beispiel eines Dachspriegels durch die Zusammenarbeit mehrerer Projektpartner aus unterschiedlichen Branchen:
- BMW (Projektleitung, Produktgestaltung und Umformung)
- CirComp GmbH (Herstellung endlosfaserverstärkter Thermoplast-Profile)
- Eckerle GmbH (Spritzgießen & Werkzeugbau)
- P+Z Engineering GmbH (Bauteilauslegung, Simulation und Optimierung)
- SGL-ACF (Herstellung Spritzgusscompound & Herstellung Carbonfasern)
Bei der Bauteilkonzipierung wurden alle drei klassischen Leichtbaupotentiale – Material-, Struktur- und Systemleichtbau – ausgeschöpft. Das Ergebnis ist ein Composite-Hybrid aus carbonfaserverstärktem Thermoplast in Skelettbauweise (siehe Abbildung 1).  

MAI skelett Abb1

Abbildung 1: Composite-Hybrid aus carbonfaserverstärktem PA6

Entlang der Bauteillastpfade werden endlosfaserverstärkte Thermoplast-Profile eingesetzt. Aufgrund der unidirektionalen Ausrichtung der Carbonfasern kann die maximale Leistungsfähigkeit des Materials genutzt werden. Wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, sind die Profile am Bauteilende zur exakten Abdeckung des Lastpfades zudem umgeformt. Umgeben werden die Profile von Spritzguss-compound, welches dank des gleichen Basismaterials eine ideale stoffschlüssige Anbindung der Verstärkungsprofile an die Rippenstruktur ermöglicht. Die Compoundierung des Spitzgussmaterials erfolgte auf Basis rezyklierter Carbonfasern.  

 MAI skelett Abb2

 Abbildung 2: Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Profile entlang der Bauteillastpfade (rote Pfeile) 

Neben dem Vorteil kurzer Zykluszeiten beim Verarbeiten von thermoplastischen Kunststoffen ist die Reduzierung auf wenige Prozessschritte ein entscheidender Faktor für die wirtschaftliche Herstellung des Dachspriegels aus CFK. Die Kernprozesse zur Produktion der Dachspriegel beschränken sich auf die Herstellung der endlosfaserverstärkten Thermoplast-Profile, dem Umformen dieser sowie dem anschließenden Umspritzen zum fertigen Bauteil. Sowohl der Umformprozess als auch der Spritzgussprozess einschließlich des Handlings der umgeformten Profile sind automatisiert. 

Die endlosfaserverstärkten Thermoplast-Profile werden mit Hilfe eines kontinuierlichen Pultrusions-prozesses (DExWin®-Prozess, siehe Abbildung 3) bei der Fa. CirComp hergestellt. Dabei werden die Rovings mit plastifiziertem Kunststoff imprägniert und anschließend in einem Kalibrierwerkzeug in Form gebracht und konsolidiert.  

 MAI skelett Abb3

Abbildung 3: DExWin®-Prozess

Der DExWin®-Prozess ermöglicht die Produktion der Pultrudate mit großem Querschnitt (10mm x 10mm) in einem einstufigen Prozess. Aufgrund der Kostenstruktur wurden im Rahmen des „MAI skelett – Projekts“ sogenannte Heavy Tows aus Carbon zur Herstellung der Profile verwendet. Heavy Tows lassen sich bedingt durch die hohe Anzahl an Einzelfilamenten und der hohen Packungsdichte nur äußerst schwer mit dem thermoplastischen Kunststoff imprägnieren. Um eine Verarbeitung der 50k Faser – bestehend aus 50.000 Filamenten – zu gewährleisten hat die Fa. CirComp ein zusätzliches Anlagenmodul zur Spreizung der Rovings entwickelt. Ziel dieses Moduls ist eine möglichst breite Auffächerung des Rovings, sodass eine vollständige Benetzung der Filamente realisiert werden kann. Darüber hinaus fand eine Konzeptüberarbeitung der Schmelzimprägnierwerkzeuge zur Optimierung des Matrixflusses statt.

Literatur

[1] Dr. Ralph Lässig et al.: Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen, 2012 

 

Das dieser Veröffentlichung zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03MAI19D gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.


MAI skelett

 

 

 

 

 

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