OSES One Step Epoxy Sandwich Einstufige Herstellung von Sandwichbauteilen mit Epoxidharz-Schaumkernen und endlosfaserverstärkten Deckschichten

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1 OSES One Step Epoxy Sandwich Einstufige Herstellung von Sandwichbauteilen mit Epoxidharz-Schaumkernen und endlosfaserverstärkten Deckschichten Dipl.-Ing. Christos Karatzias, MBA Werkstoffwoche 2015, Symposium Z4 Leichtbau,

2 Composite Kompetenzen an der RWTH Aachen Composite Kompetenzen und Kooperationen seit mehr als 25 Jahren Textilien Kunststoffe/Composites Produktionstechnologie Qualitätssicherung Leichtbau Automotive (ITA) (IKV) (WZL, IPT, ILT, ISF) (WZL) (ilb) (ika) 8 Institute Mehr als 750 Wissenschaftler Mehr als studentische Mitarbeiter OSES One Step Epoxy Sandwich 1

3 Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen Gründung 1950 mit Unterstützung einer Fördervereinigung (aktuell ca. 240 Mitglieder) Standort Pontstr. 49 Angliederung an die RWTH Aachen 4 wissenschaftliche Abteilungen Spritzgießen Extrusion Formteilauslegung/Werkstofftechnik Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane Standort Seffenter Weg 201 Personal 80 Wissenschaftliche Angestellte 50 Angestellte in Laboren, Werkstätten, Verwaltung ~220 studentische Hilfskräfte OSES One Step Epoxy Sandwich 2

4 Bauwesen Automotive Beispiele für faserverstärkte Sandwichbauteile mit Polymerschäumen und Nachteile der konventionellen Fertigung Beispiele für faserverstärkte Sandwichstrukturen mit Polymerschäumen Cabrio-Dachmodul CFK-Sandwich mit PUR-Schaum [BASF] Unterbodenbereich Monocoque CFK-Sandwich mit EP-Schaum [Hahlbrock] Kugelradomsegmente GFK-Sandwich mit PVC-Schaum [Hahlbrock] Nachteile konventioneller Fertigung von FVK-Sandwichbauteilen Aufwendige mehrstufige Herstellung Fertigung Blockschaum Spanende Konfektionierung und Reinigung des Blockschaums Fertigung Sandwichbauteil (z.b. Fügen Schaumkern/FVK-Deckschicht oder FVK-Prozess mit Schaumkern im Werkzeug) Hohe Preise und Verschnitt für FVK mit geschäumtem Kern in Sandwichbauweise Prozessschrittreduktion und Verschnittminimierung durch einstufige Sandwichherstellung OSES One Step Epoxy Sandwich 3

5 Gliederung Vorstellung IKV und Motivation Lösungsansatz und Herausforderungen der einstufigen Sandwichherstellung Konzept der einstufigen Sandwichherstellung mit expandierenden Mikrohohlkugeln Auswahl der Materialien zur Schaumkernerzeugung Herstellung von geschäumten Probebauteilen in einem Versuchswerkzeug für Grundlagenuntersuchungen Übertragung der Schaumherstellung inkl. Faserverstärkung auf großflächiges Nasspresswerkzeug Fazit und Ausblick OSES One Step Epoxy Sandwich 4

6 Lösungsansatz des Verfahrens und Prozessablauf Einstufige Herstellung von endlosfaserverstärkten Kunststoffbauteilen mit geschäumtem Kern aus Epoxidharz und expandierbaren Mikrohohlkugeln 1. Vorbereitung 2. Imprägnierung und Formgebung Beheiztes Werkzeug Textile Decklagen (trocken) 3. Entformen Epoxidharzgemisch mit expandierbaren Mikrohohlkugeln Werkzeuginnendruck durch Expansionsdruck der Mikrohohlkugeln OSES One Step Epoxy Sandwich 5

7 Bauteilstruktur und Herausforderungen des Verfahrens Erzeugte Bauteilstruktur Textile Halbzeuge dienen als Filter und grenzen den Schaum von den Deckschichten ab Geschäumter Sandwichkern Kompakte Deckschichten mit hohem Faservolumenanteil (Endlosfasern) Herausforderungen und Ziele des Verfahrens Definierte Ausbildung kompakter Deckschichten (1-3 mm) mit hohem FVG (~ 50 %) Kontrollierte Aufschäumung des Kerns bis zu einem definierten Raumgewicht (max. 0,6 g/cm³) mit einem Strukturschaum Vollständige Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit guter Oberflächenqualität der Deckschichten durch die Expansionswirkung der Aufschäumung Trennung zwischen geschäumtem und kompaktem Epoxidharz Realisierung einer möglichst kurzen Zykluszeit (unter 10 min.) OSES One Step Epoxy Sandwich 6

8 Expansionsrate Verwendete Materialien zur Schaumerzeugung Expandierende Mikrohohlkugeln mit einer flexiblen Außenhülle (Kunststoff) Unterschiedliche Typen der Fa. Matsumoto Yushi-Seiyaku Co, Ltd., Japan 5 50 μm thermoplastische Kunststoffhülle (AN Copolymer) mit einer Dicke von 2-5 μm Kohlenwasserstoffgemisch (Isobutan, 2-Methylbutan) Beginn der Expansion vor der Expansion Aufblähung Temperatur Schwindung Auswahlkriterien: Starttemperatur, bei der die Erweichung der polymeren Hülle beginnt und eine Ausdehnung erfolgt (anzupassen an das verwendete EP-System) Typen mit niedrigen (70-80 C) und hohen ( C) Starttemperaturen Expansionsrate, d.h. dem Ausdehnungsfaktor in Abhängigkeit der Temperatur Typen, deren Expansionsrate ein Maximum im Bereich der Aushärtungstemperatur des Epoxidharzsystems (~120 C) aufweisen Aufmachung, d.h. angefeuchtet oder trocken Beide Aufmachungen berücksichtigt OSES One Step Epoxy Sandwich 7

9 Herstellung von geschäumten Probebauteilen in einem Versuchswerkzeug für Grundlagenuntersuchungen Zylindrisches Mittelteil Oberer Deckel Ø 9 cm Bohrung für Thermoelement Unterer Deckel Versuchsparameter Mikrohohlkugeltypen Mikrohohlkugelanteil Harzsystem: Epikote 05475/ Epikure Fa. HEXION Inc., Ohio, USA Härtungszeit / Aushärtetemperatur Masse Harzsystem F-36LV F-36D FN-105D F-78 KD 1,5 3,0 4,5 Gew.-% 5 min/120 C 8 min/110 C 10 min/100 C g OSES One Step Epoxy Sandwich 8

10 Zunahme Masse Epoxidharzsystem Einfluss der Epoxidharzmasse auf die Schaumstruktur 140 g 160 g Epoxidharzsystem: Epikote 05475/Epikure (Fa. HEXION) Härtungszeit = 5 min bei T = 120 C Mikrohohlkugeln: Typ F-36LV (Fa. MATSUMOTO YUSHI-SEIYAKU) Hohlkugelgehalt = 3 Gew.-% 180 g 25 mm OSES One Step Epoxy Sandwich 9

11 Zunahme Masse Epoxidharzsystem Einfluss der Epoxidharzmasse auf die Schaumstruktur 140 g 140 g 160 g Epoxidharzsystem: Epikote 05475/Epikure (Fa. HEXION) Härtungszeit = 5 min bei T = 120 C 160 g Mikrohohlkugeln: Typ F-36LV (Fa. MATSUMOTO YUSHI-SEIYAKU) Hohlkugelgehalt = 3 Gew.-% 180 g 180 g 25 mm 15 mm OSES One Step Epoxy Sandwich 10

12 Einfluss unterschiedlicher Hohlkugeltypen auf die Schaumqualität F-36LV F-36D FN-105D F-78KD 25 mm 15 mm OSES One Step Epoxy Sandwich 11

13 Farbintensität der Druckmessfolien Einfluss der Epoxidharzmasse auf die Druckerzeugung Zunahme Masse Epoxidharz 140 g 160 g 180 g Auswertung nach vordefinierter Farbskala des Herstellers 1,5 bar 3,5 bar 6,5 bar Hohlkugeltyp F-36D, Parameter: 3 Gew.-% Treibmittelgehalt, 5 min/120 C OSES One Step Epoxy Sandwich 12

14 rel. Häufigkeit [%] rel. Häufigkeit [%] Analyse der Schaumstruktur mittels optischer Zellanalyse - Exemplarischer Vergleich unterschiedlicher Schaumstrukturen FN-105D, 180 g, 1,5 Gew.-%, 5 min/120 C Zelldurchmesser [µm] FN-36D, 180 g, = 4,5 Gew.-%, 5 min/120 C 25 mm Zelldurchmesser [µm] OSES One Step Epoxy Sandwich 13

15 Zwischenfazit - Grundlagenuntersuchungen Verhältnis Harzmenge zu Mikrohohlkugelanteil ist ein dominierender Faktor für eine homogene Schaumerzeugung. Unterschiedliche Mikrohohlkugeltypen erzeugen unterschiedliche charakteristische Schaumstrukturen hinsichtlich Homogenität und Porengröße. Innerhalb der Kavität konnten durch die Expansion der Mikrohohlkugeln je nach Parametervariation Drücke von 1,5 bis 6,5 bar erzeugt werden. Eine quantitative Aussage der Homogenität über eine Verteilung der Porenanzahl und - größe konnte durch eine optische Zellanalyse (IKV-Software OZELLA) ermittelt werden. Die erzielten Dichten der hergestellten Schäume liegen je nach eingesetzter Epoxidharzmasse und Treibmittelgehalt zwischen 0,53 und 0,72 g/cm³. Die Ergebnisse der Grundlagenuntersuchungen wurden für die Übertragbarkeit auf die Herstellung von Sandwichbauteilen mit faserverstärkten Deckschichten genutzt. OSES One Step Epoxy Sandwich 14

16 Übertragung der Schaumherstellung inkl. Faserverstärkung auf die Herstellung im Nasspresswerkzeug Werkzeugtechnische Umsetzung Abschnittsweise Entnahme der Dichtung für gezielte Entlüftung Messingeinsätze im Randbereich des Presswerkzeugs Werkzeugunterseite Schnitt durch Presswerkzeug 250 mm 100 mm Messingeinsätze Vollständig imprägnierte Decklagen Schaumgemisch Textiles Halbzeug (überstehend) OSES One Step Epoxy Sandwich 15

17 7 mm Einstufig hergestelltes Sandwichbauteil mit zwei Gelegelagen als Deckschicht Faserdeckschichten: 2x Glasfaser-Quadraxialgelege 960 g/m² (Saertex GmbH & Co. KG, Saerbeck) Schaumanteile in der Deckschicht Deckschichten mit Endlosfaserverstärkung und Schaumanteil Geschäumter Sandwichkern Gesamtdichte inkl. Deckschichten ρ = 1,0 g/cm³ 12,5x Vergrößerung Homogene Verteilung der Mikrohohlkugeln 50x Vergrößerung OSES One Step Epoxy Sandwich 16

18 7 mm Einstufig hergestelltes Sandwichbauteil mit kombinierten Gelege/Gewebe-Lagen als Deckschicht Faserdeckschichten: GF-Quadraxialgelege 960 g/m² (Saertex GmbH & Co. KG, Saerbeck) GF-Gewebe 200 g/m² (Isola GmbH, Düren) Diskrete Trennung Deckschicht/ Schaumkern Deckschichten mit Endlosfaserverstärkung Geschäumter Sandwichkern Homogene Verteilung der Mikrohohlkugeln Gesamtdichte inkl. Deckschichten ρ = 0,9 g/cm³ 12,5x Vergrößerung 50x Vergrößerung OSES One Step Epoxy Sandwich 17

19 Fazit und Ausblick Fazit Einstufige Herstellung von endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen ermöglicht signifikante Prozessschrittverkürzung und Kosteneinsparpotenzial Verfahrensuntersuchungen an Schaumstrukturen konnten das einzustellende Verarbeitungsfenster hinsichtlich Werkzeugtemperatur und Verhältnis Harz/Mikrohohlkugeln im Nasspressverfahren eingrenzen Prozessintegrierte Schaumerzeugung bei der Imprägnierung endlosfaserverstärkter Deckschichten konnte erfolgreich umgesetzt werden Ausblick Bestimmung eines mechanischen und thermischen Eigenschaftsprofils der hergestellten Sandwichbauteile Übertragung der Ergebnisse auf die Herstellung von Sandwichbauteilen mit unterschiedliche Faserdeckschichten (Gewebe/Gelege, Glas/Kohle) Übertragung der Ergebnisse auf die Herstellung von Sandwichbauteilen mit gekrümmter Oberflächenstruktur OSES One Step Epoxy Sandwich 18

20 Das Institut für Kunststoffverarbeitung Nachwuchs. Netzwerk. Innovationen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Ihre Fragen beantworte ich gerne. Dipl.-Ing. Christos Karatzias, MBA Faserverstärkte Kunststoffe / Pressverfahren Telefon: +49 (0) christos.karatzias@ikv.rwth-aachen.de Das IGF-Forschungsvorhaben N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank. Projektbegleitung