Faserverbundwerkstoffe für den Leichtbau

Faserverbundwerkstoffe auf Basis von Polyurethan finden durch ihre hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht Einsatz als Metallersatz, ein Bereich der durch das wachsende Interesse an Elektromobilität immer mehr an Bedeutung gewinnt.

 

Moderne Mobilität, ob im Automobilbereich, Schiffsbau oder in der Luftfahrt, ist auf eine extrem leichte
Bauweise angewiesen. Gleichzeitig fordert Mobilität Konstruktionen mit hoher mechanischer Belastbarkeit.
Mit der RTM-Anlage (Resin Transfer Moulding) der Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau können in einem innovativen Produktionsverfahren dreidimensionale
Leichtbauteile auf Polyurethanbasis (PU) in einer Sandwichbauweise aus unterschiedlichen Hartschaumkernen und einer Oberfläche aus Faserverbunden hergestellt werden. 


RTM-Verfahren
Das RTM-Verfahren am Fraunhofer IWKS ist eine Mehrkomponenten-Hochdruckverarbeitung von
Polyurethan, bei der eine Polyol- mit einer Isocyanat-Verbindung unter enormen Düsendrücken von 130 bis 180 bar gemischt und direkt in ein Formwerkzeug eingebracht werden. Mit Formwerkzeug wird die Negativform des herzustellenden Bauteiles bezeichnet, in der die Polyurethanmasse bis zur vollständigen
Aushärtung verbleibt. Aufgrund der Forminnendrücke, die von der Bauteilgröße und dem gewählten PU-System abhängig sind, sind hohe Zuhaltekräfte des Formenträgers erforderlich, die bei dieser Anlage bis zu 400 Tonnen betragen können. Das Zusammenspiel aus Viskosität der PU Ausgangsstoffe, der Einschussgeschwindigkeit des noch flüssigen PU-Gemischs und weiterer Parameter wie den herrschenden Drücken und Temperaturen ist für die schnelle und vollständige Durchtränkung der in das Werkzeug zuvor für die Faserverbundwerkstoffe eingelegten Verstärkungsmaterialien verantwortlich. Bei diesen Materialien handelt es sich meist um Gewebe oder Gelege aus Glas-, Kohle- oder Naturfasern. 


Sandwichbauweise
Die Leichtbauteile werden in einem zweistufigen Prozess hergestellt. Zu Beginn wird dazu ein leichter
Polyurethankern mit einem Raumgewicht um die 200 kg/m³ in einem Schäumungsprozess angefertigt.
Im anschließenden zweiten Schritt wird zunächst die untere Lage des Verstärkungsmaterials in das RTM-Werkzeug eingelegt. Auf diese Faserstruktur wird nun der in Form geschäumte Kern und zum Abschluss die obere Faserdecklage gelegt. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird unter Vakuum ein sich vom Schaumkern unterscheidendes PUSystem eingebracht, das die Faserlagen durchdringt und das gesamte Bauteil umschließt. Durch das Aushärten des Polyurethans wird ein Endteil mit einer harten, lackartigen Oberfläche erhalten. Für das geringe Gewicht dieser Faserverbundwerkstoffe ist der leichte Hartschaumkern verantwortlich wohingegen die hohe Festigkeit und Steifigkeit durch die faserhaltige Außenhaut hervorgerufen wird.

 

Bionische Oberflächen
Mit speziellen Formwerkzeugen lassen sich im RTM-Prozess Strukturen in die Oberfläche einprägen
die beispielsweise zur Effizienzsteigerung von Windkraftanlagen, Autos, Schiffen und Flugzeugen dienen. So wurde in einem gemeinsamen Projekt mit der FRIMO Group GmbH ein Werkzeug mit einer bionischen Oberfläche verwendet, die die Haut eines Hais von der Natur in die Technik überträgt um damit den Strömungswiderstand eines Rennwagenheckflügels aus Faserverbundmaterial zu verringern.


Die Möglichkeiten der RTM-Anlage in Alzenau reichen von der Ermittlung der Tauglichkeit und Optimierung von Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Polyurethan-Kernbauteilen und Beschichtungen bis hin zur Untersuchung und Optimierung von Produktionsabläufen. Darüber hinaus können Alternativen, wie biobasierte Ausgangsmaterialien und Naturfasern für die Erzeugung der Schichten direkt bei der Bauteilherstellung getestet und untersucht werden. Die Anlage in Alzenau zeichnet sich besonders durch die Größe der mit ihr herstellbaren Bauteile aus, die Ausmaße von 1900 mm × 1500 mm erreichen können.


Faserverstärkte Verbundmaterialien, wie sie am Fraunhofer IWKS entwickelt werden, können dazu
beitragen die zunehmend wichtiger werdenden Leichtbauanforderungen für die moderne Mobilität zu erfüllen. Dabei machen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten in Verbindung mit einem geringen Gewicht diese Werkstoffe für den Fahrzeugbau besonders interessant um eine bessere Verbrauchseffizienz zu erreichen.

Ansprechpartner

Dr. Jörg Zimmermann
Abteilungsleitung Energiematerialien und Leichtbau
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie
IWKS
06023 32039 875
joerg.zimmermann@isc.fraunhofer.de
www.iwks.fraunhofer.de


Dr. Martin Berberich
Energiematerialien und Leichtbau
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie
IWKS
06023 32039 751
martin.berberich@isc.fraunhofer.de
www.iwks.fraunhofer.de

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