Ziel der Entwicklung
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von Sandwich-Elementen auf Basis von Wabenkernen aus Pappe und thermoplastisch bindenden Deckschichten bestehend aus PP-/Glasfaser-Hybridvliesstoffen.
Vorteile und Lösungen
Bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung zeigte sich, dass das Maximum der Sandwichfestigkeit und -steifigkeit beim Einsatz von Deckvliesen mit 50 Ma.-Prozent Glasfasern und 550 g/m² Flächenmasse sowie beim Einsatz einer PP-Adhäsionsschicht erreicht wird. Aufgrund der Richtungsorientierung von Wabe und Vlies wird eine deutliche Abhängigkeit der Sandwich-Eigenschaften von der Ausrichtung der Wabenstege und der Fasern im Vlies gefunden. Unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaues und unter der Maßgabe steife Verbundmaterialien zu entwickeln, erfolgte eine werkstoffliche Optimierung der Sandwichverbunde durch den sukzessiven Austausch der Glasfaseranteile durch 10 – 30 Gew.-Prozent Carbonfasern. Carbonfasern besitzen im Vergleich zu Glasfasern bessere gewichtsspezifische Eigenschaften (geringere Dichte bei deutlich höherem E-Modul), so dass eine zusätzliche Gewichtseinsparung von mehr als 5 Prozent und eine um 40 - 50 Prozent höhere Sandwichsteifigkeit erreicht wurden. Im Rahmen des Projektes erfolgte auch eine Optimierung der Verbunde unter wirtschaftlichen Aspekten. Da einerseits Primärfasern deutlich kostenintensiver sind als Sekundärfasern und andererseits bei der Produktion von Verbundmaterialien in großen Mengen Sekundärfasern anfallen, wurden bei der Herstellung der Deckvliese Recyclingfasern aus der Wiederverwertung von Produktionsabfällen eingesetzt. Die Aufbereitung der Recyclingfasern erfolgte in der Forschungsstelle. Es ließ sich zeigen, dass mit Deckschichten aus Recyclingfasern gleichwertige Verbundsteifigkeiten bei einer Kostenersparnis von mehr als 40 Prozent erreicht werden können. In praxisnahen Versuchen auf industriellen Pressen wurde die Prozessstabilität und Prozessqualität der im Formpressverfahren hergestellten Sandwich-Elemente überprüft. Im One-Shot-Verfahren ist es gelungen, eine PKW-Laderaumabdeckung bestehend aus Pappwabenkern, Glas/Carbon/PP-Deckvliesen und PES-Dekor zu realisieren. Mit dem Übergang von duroplastisch gebundenen
Deckschichten zu thermoplastisch bindenden Deckschichten lassen sich bei der Herstellung von Sandwich-Bauteilen demnach folgende Vorzüge verbinden:
- Reduzierung der Herstellungskosten durch einfachere Prozesstechnik (Formpressen)
- Verkürzung von Prozessketten durch die Einsparung von Prozessschritten (keine Harzimprägnierung)
- Bauteilumformung und Kaschierung im One-Shot-Verfahren realisierbar
- Einsatz von Recyclingfasern in den Deckvliesen möglich
- Senkung der Materialkosten für die thermoplastischen Deckschichten von mehr als 50 Prozent
- 20-50 Prozent leichtere Bauteile bei gleichwertiger gewichtsspezifischer Bauteilsteifigkeit
- Funktionsintegration möglich, da PP-Matrix als Schweißmittel genutzt werden kann
- Nutzung der bestehenden Wiederverwertungskreisläufe thermoplastischer Verbundmaterialien.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Zulieferbetriebe für die Automobilindustrie sind stetig auf günstigere oder bessere Produkte angewiesen, um sich im Markt zu behaupten und dauerhaft in der Branche etabliert zu bleiben. Da anteilig die größten Kosten in der Produktion entstehen, müssen diese Unternehmen stets neue und kosteneffiziente Verarbeitungstechnologien für Großserienanwendungen entwickeln. Hierin liegt die Triebkraft für die Entwicklung und den Einsatz neuer Materialien und Verfahren.
Die im Forschungsvorhaben entwickelten Sandwich-Elemente mit Wabenkern können beispielsweise im Automobil- und Schienenfahrzeugbau konventionelle Bauteile bei nicht strukturellen Komponenten, zum Beispiel Dachhimmel, Kofferraumboden oder Hutablage, ersetzen. Bei der Markteinführung dieser Sandwich-Verbunde kann auf die bestehende Zulieferkette zurückgegriffen werden, die einen direkten Zugang zu den Automobilherstellern garantiert. Bereits während der Projektbearbeitung erfolgte durch die Verarbeitungsversuche bei einem erfahrenen Sandwich-Hersteller (Fa. Koller) ein Technologietransfer. Die aus diesen Industrieversuchen resultierenden Demonstratorbauteile können über den Zulieferer dem Endkunden vorgestellt werden, um so ein Feedback über die Akzeptanz der neuen Produkte am Markt zu gewinnen und gegebenenfalls weitere Produktoptimierungen vornehmen zu können.
Das Know-how aus dem Forschungsprojekt wurde für die Generierung neuer Foschungsprojekte auf dem Gebiet des Materialleichtbaus genutzt. Ein Schwerpunkt bildet dabei der Einsatz von recycleten Carbonfasern in hochwertigen CFK-Bauteilen.