Mit Stahlseilen verstärken

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1 Mt Stahlselen verstärken EASI-Bautele. Ene neuartge Technologe für de Herstellung von Sprtzgussbautelen mt Endlos-Stahlsel-Verstärkung (EASI) ermöglcht den Zugang zu Kunststoffkomponenten ener ganz neuen Lestungsklasse. Denn auf desem Weg lassen sch crashresstente, gewchtsreduzerte Bautele be glechzetg hoher gestalterscher Frehet herstellen. Effzentes Sprtzgeßen kombnert mt Stahlselverstärkung stellt enen weteren Bausten auf dem Weg zum lestungsfähgen Lechtbau dar. Dabe können de Gewebe aus Stahlselen für unterschedlche Anforderungen optmert werden (Bld: Bekaert) ANDREAS RADTKE U.A. ARTIKEL ALS PDF unter Dokumenten-Nummer KU D e Unternehmen NV Bekaert SA, Kortrjk/Belgen, Voestalpne Plastcs Solutons BV, Roosendaal und Putte/Nederlande, und de BASF SE, Ludwgshafen, haben gemensam ene Technologe entwckelt, mt deren Hlfe sch neuartge Kunststoffbautele für strukturelle Anwendungen fertgen lassen. Im Gegensatz zu den bekannten Formen der Bautelverstärkung mt endlosfaserverstärkten thermoplastschen Lamnaten (Organoblechen) oder anderen textlen Carbon- oder Glasfaserstrukturen, sorgt der Stahlselenleger vor allem für den Erhalt der Bautelfunkton bem Crash (Bld 1). Berets 21 haben sch Bekaert,Voestalpne Plastcs Solutons und BASF erstmals mt der Stahlselverstärkung n sprtzgegossenen Bautelen, der EASI- Technologe, beschäftgt. De Abkürzung EASI steht für Energe, Absorpton, Scherhet und Integrtät. Se brngt zum Ausdruck, dass der Anwendungsberech für dese Bautele dort zu suchen st, wo es um scherhetsrelevante Bautele geht, de enersets Energe absorberen, anderersets aber unter der Last enes Aufpralls ncht vollständg zerstört werden, sondern als Bautel nteger bleben sollen. Das erste Serenbautel der Vorläufertechnologe n Presstechnk basert auf GMT (glasmattenverstärktem Thermoplast) und erhelt 28 den AVK Innovaton Award. Zusammen konzentreren sch de Bekaert SA Pressestelle BE-85 Kortrjk TEL > dre Unternehmen nun auf den klassschen Sprtzguss von Bautelen mt Stahlselverstärkung. De ursprünglche Technologe wrd dabe n en One-Step-Verfahren mt reduzerten Materal- und Prozesskosten überführt (Ttelbld). In den Know-how-Verbund brngt Bekaert de Expertse für de Verstärkung von Kunststoffen mt Stahlselgeweben en, während Voestalpne Plastcs Solutons für Bautelkonzept und -entwcklung sowe für de Verarbetungstechnologe und de Bautelfertgung verantwortlch BASF SE Fachpressestelle Performance Polymers D-6756 Ludwgshafen TEL > st. De BASF entwckelt enersets hre crashoptmerten kurz- bzw. langfaserverstärkten Polyamdspezaltäten aus dem Ultramd-Sortment für de Kombnaton mt Stahlsel-Enlegern weter. Anderersets arbetet das Unternehmen am Ausbau der dazugehörgen Vorhersage- Expertse und erwetert sen Smulatonswerkzeug Ultrasm um Abbldungsmethoden und Materalmodelle für de neuen Composte-Materalen. Grenzen konventoneller Faserverstärkung Im Berech der Composte-Werkstoffe snd heute verschedene Konzepte n der Dskusson. Verglecht man de konventonellen Ansätze bezüglch Stefgket und Festgket, so schent en mt Stahlselen verstärktes Thermoplastbautel auf > Kunststoffe 11/212 67

2 Bld 1. De Verstärkung mt Stahlselgeweben sorgt m Gegensatz zu anderen marktgänggen Verstärkungsformen auch be hohen Aufprallenergen für den Zusammenhalt enes belasteten Bautels m Crashfall (lnks: normale Glasfaserverstärkung, rechts: Stahlselverstärkung; s. Vdeo) (Bld: BASF) Vdeo zum Thema En Hochgeschwndgketsvdeo zur Verdeutlchung der Lestungsfähgket von Stahlselverstärkung st zu fnden unter: oder > Darüber hnaus snd se mt ener Antkorrosonsbeschchtung ausgerüstet, de über de Lebensdauer des Bautels hnweg Korroson verhndert, we Langzetuntersuchungen der Stahlsele ebenso we der sprtzgegossenen, stahlselverstärkten Bautele m Salz-Sprühversuch belegen (Bld 3). De Stahlsele haben ene hohe Stefgket und snd höchstfest, mt Bruchfestgketen von mehr als 28 MPa. Durch dese m Stahlsektor höchsten Festgketen hält das Gewebe aus Stahlselen bem Aufprall de Thermoplastmatrx zusammen. Das Stahlselgewebe wdersteht dabe auch noch nach wederholten Aufschlägen sehr hohen Lastenträgen. Um de genaue Postonerung der Stahlsele m sprtzgegossenen Bautel zu gewährlesten, hat Bekaert ene spezelle Textlstrukturerung für de Stahlsele entwckelt (Bld 4). Dese Struktur st so offen, dass se sch lecht und ohne wetere Vorbehandlung n das Sprtzgeßwerkzeug enlegen lässt und glechzetg vom Thermoplasten vollständg umhüllt wrd. So können sch de Stahlsele während des Sprtzgeßprozesses ncht verscheben. Von Vortelen der Polyamde profteren Das Sprtzgeßen von Thermoplasten we Ultramd erlaubt bekanntermaßen de enfache Herstellung auch komplexer Formen und st als etablertes Kunststoffverarbetungsverfahren für de Serenfer- den ersten Blck kene ausgesprochenen Vortele zu beten. Sene Besonderhet spelt es jedoch m Crash aus (Bld 2). De Stahlselverstärkung des EASI- Konzepts sorgt dafür, dass en Kunststoffbautel be hochdynamscher Belastung sene strukturelle Integrtät behält. EASI- Bautele können be ener Crash-Beanspruchung zwar beschädgt werden, snd aber nach Begnn der Schädgung dennoch n der Lage, Energe zu absorberen und Kräfte weterzuleten. Das st ene entschedende Innovaton m Verglech zu Kunststoffbautelen mt herkömmlcher Verstärkung, de bem Versagen mest mt Trennbruch und Zerbersten reageren. En solches Lestungsnveau st mt Verstärkungstechnologen anderer Art ncht zu errechen. Stahlsele für Kunststoffbautele De Stahlsele m EASI-Konzept snd n hrer Struktur und n hrer Oberflächenbehandlung ndvduell auf de Anwendung m thermoplastschen Bautel hn zugeschntten. De von Bekaert entwckelten und produzerten Stahlsele lassen sch aus verschedenartgen oder unterschedlch dcken Enzeldrähten konstrueren. Se snd galvansert und wesen enen hohen Kohlenstoffantel auf. Bld 2. In sener Festgket st der stahlselverstärkte Thermoplast mt langglasfaserverstärkten Kunststoffbautelen verglechbar. Durch sene Duktltät st er jedoch wenger anfällg gegen Crash und de Strukturntegrtät enes Bautels blebt äußerst lange erhalten (KGF: kurzglasfaserverstärkt, LGF: langglasfaserverstärkt, EASI: neue Stahlselverstärkung) (Bld: BASF) 68 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 11/212

3 tgung hoch automatsert. Daher st de Kombnaton von Polyamd-Sprtzguss und Stahlselverstärkung ene sehr effzente Methode, um zu Bautelen zu gelangen, de enen Aufprall wetgehend unzerstört überstehen. Der Prozess des Sprtzgeßens von stahlselverstärkten Thermoplasten unterschedet sch dabe kaum vom klassschen Ablauf; allerdngs muss das Stahlselgewebe vor dem Schleßen des Werkzeugs n de Kavtät engelegt werden. De prozessschere Verarbetung solcher Enleger brngt enge Herausforderungen hnschtlch Werkzeugtechnk und Prozessführung mt sch, da de Fxerung und Postonerung der Stahlselgewebe m Werkzeug sowe gegebenenfalls ene Vordraperung beachtet werden müssen. Je nach Geometre und Komplextät des Enlegers verlängert sch de Zykluszet gerngfügg gegenüber dem Standardsprtzgeßprozess. Zu den nteressanten Bespelen der letzten Jahre für Metallsubsttuton m Fahrzeugbau gehören Motorlager, Pendelstützen und Getrebebrücken, Stoßfängerabstützungen oder Säulenenleger aus technschen Thermoplasten we Polyamd. Her fanden Standard- aber auch Spezaltypen aus dem Ultramd-Sortment der BASF zahlreche Anwendungen. Auch de EASI-Bautele profteren von Polyamd als Sprtzgussmateral: Se snd KTL-fähg und können sowohl als Anbautele als auch n der Rohkarosse (BIW: body n whte) verwendet werden. In EASI-Bautelen können fleßverbesserte Werkstoffe we Ultramd B3WG6 Hgh Speed zum Ensatz kommen, ebenso we de neuen langglasfaserverstärkten Produkte aus dem Ultramd Structure-Portfolo der BASF. Dese Bautele verbnden de Lestungsfähgket für strukturelle Anforderungen we Festgket und Stefgket mt der Duktltät hochfester Materalen, sodass auch m Crashfall ene extrem hohe Energeaufnahme und Strukturntegrtät gewährlestet st. Auf dese Wese füllen EASI-Bautele ene Lücke zwschen renen Thermoplast-Bautelen, komplexen Glasfaser- oder Carbonfaser-Compostes und den schwereren Metallblech- Kunststoff-Hybrden. Lestungsvermögen des Verbunds Bld 3. Im Salzsprühversuch werden Stahlsele und stahlselverstärkte Bautele auf hre Korrosonsbeständgket getestet (Bld: Bekaert) De Kombnaton von Stahlselen mt ener thermoplastschen Matrx führt zu enem grundsätzlch neuartgen Materalverhalten, vor allem be hohen Dehnungen. Be konventonellen Faserverbundwerkstoffen kommt es be hohen Dehnraten zum Trennbruch des gesamten Verbunds, was n en spontanes Versagen mündet. De EASI-Technologe Bld 4. Monoflamente aus Stahl lassen sch zu verschedenartgen Selen verdrllen, de unterschedlche Dchten und Bruchfestgketen aufwesen und de dann mt Textlgewebe fxert werden (Bld: Bekaert) verhndert de Trennung der Kunststoffmatrx von der Stahlselverstärkung und betet damt en sehr duktles Erschenungsbld nach dem Ensetzen des Bruchs. Deses Werkstoffverhalten hat zur Folge, dass konventonelle Materaltests und Datenblätter das Lestungsvermögen und Verhalten enes EASI-Verbunds ncht oder nur sehr unzurechend abblden können. De außergewöhnlche Strukturntegrtät von EASI kann nur durch ncht genormte, bautelnahe Versuche dargestellt werden. Ener deser > Kunststoffe 11/212

4 Bld 5. Lnks: Dre-Punkt-Begeversuch am Demonstratorbautel, enem verrppten Hutprofl aus stahlselverstärktem Polyamd. Rechts: Zur Ermttlung der roten Kurve n Bld 7 wrd der expermentelle Drepunkt-Begeversuch n der Computersmulaton nachempfunden (Blder: BASF) Versuche st der Dre-Punkt-Begeversuch (Bld 5). En erster Blck auf das Energe-Weg- Dagramm (Bld 6) zegt, dass de Energeaufnahme des stahlselverstärkten Polyamd-Bautels sehr vel höher st als de der renen, mt 3 % Glasfasern verstärkten Polyamd-Komponente (her de besonders fleßoptmerte Type Ultramd Hgh Speed). Verhalten durch Smulaton vorhersagen Zum Erfolg von Kunststoffanwendungen begetragen hat ncht nur de stete Weterentwcklung der Matrxkunststoffe, sondern auch de wachsende Fähgket, das Verhalten enes Kunststoffbautels unter Belastung am Computer vorherzusagen, z. B. mt anspruchsvollen Instrumenten we dem Smulatonswerkzeug Ultrasm der BASF. Inzwschen lässt sch mt dem kontnuerlch erweterten Instrument auch das quasstatsche und dynamsche Verhalten des stahlselverstärkten Ultramd-Bautels mt hoher Genaugket vorhersagen (Bld 7, Bld 5 rechts). Anwendungen und Recyclng Stahlfaserverstärktes Polyamd st für Bereche prädestnert, de zur Energeab- Energe 4 J Referenzbautel aus Ultramd B3WG6 Hgh Speed Bautel aus Ultramd B3WG6 Hgh Speed mt Stahlselverstärkung mm 2 Weg Kunststoffe Bld 6. De Energeaufnahme des stahlselverstärkten Ultramd-Bautels st sehr vel höher als de des renen, mt 3 % Glasfasern verstärkten Ultramds (her de besonders fleßoptmerte Type Ultramd Hgh Speed) (Bld: BASF) sorpton und zur harmonschen Vertelung von Crashenerge denen (s. Vdeo). Fahrzeugbautele, n denen dese Egenschaften ausgespelt werden können, snd strukturrelevante Anbautele we Stoßfängerquerträger oder Frontends sowe Komponenten m Rohbau (BIW), de hre tragende Funkton und hre Strukturntegrtät für de Weterletung von Kräften m Crash und m Nachversagensberech behalten müssen. Auch an A-, B- und C-Säulenverstärkung sowe Verstärkungen m Innentür- oder Schwellerberech lässt sch denken. Von zentraler Bedeutung be desen neuartgen Bautelen st de frühzetge Enbezehung des Stahlselkonzepts n der Konstruktons- und Auslegungsphase. Das Enfügen von Stahlselen n berets bestehende Konstruktonen oder Prototypen kann zu Verbesserungen der Bautelcharakterstk führen, nutzt aber ncht das gesamte Potenzal der Technologe. Erst bem Ensatz der Stahlselenleger berets n der Konzeptphase der Bautelentwcklung snd optmale Egenschaften zu errechen. EASI betet ene Möglchket, be Bautelen n crashbelasteten Lastpfaden zwschen konventoneller Blechbauwese mt teurem Großserenwerkzeug oder etwas aufwändgerem Bautel be gernger Gesamtnvestton zu entscheden. Dazu kommen alle bekannten Vortele, de das Sprtzgeßen von Kunststoffen betet, we Funktonsntegraton und Modularserung. An ersten Serenbautelen aus der Presstechnk konnte de Möglchket der Weterverwertung der Stahlsele und der Kunststoffe nach Gebrauchsende der Bautele berets demonstrert werden. En Voestalpne Plastcs Solutons BV Pressestelle NL-474 RG Roosendaal TEL > Großversuch be Voestalpne n Lnz zegte, dass sch be Komplettbautelen de Kunststofffrakton vollständg vom Stahlgewebe trennen lässt: Nach der mecha- 7 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 11/212

5 nschen Grobzerklenerung und dem Schreddern können de Stahlreste weder n den Hochofen zurückgeführt werden. Auch der Kunststoffantel, de Schredderlechtfrakton, st bekanntlch für de Verwertung geegnet. Ausblck: Kombnaton mt Lamnaten BASF en neues Bautelkonzept vor, das den Zugang zu crashresstenten, gewchtsreduzerten Komponenten be glechzetg hoher gestalterscher Frehet ermöglcht. Damt st en weterer Schrtt n Rchtung kosteneffzenter Lechtbau für Strukturbautele getan. DIE AUTOREN ANDREAS RADTKE st m Marketng der Geschäftsenhet Engneerng Plastcs Europe der BASF SE, Ludwgshafen, tätg. VEERLE VAN WASSENHOVE st F&E Projekt-Manager be der NV Bekaert SA, Kortrjk/Belgen. KEES VAN KOERT st Applcaton Manager Busness Development be der Voestalpne Plastcs Solutons BV, Roosendaal und Putte/Nederlande. Bld 7. Dre-Punkt-Begeversuch: Smulaton (rot) und Expermente (bege) am kondtonerten Demonstratorbautel (verrpptes Hutprofl). Das unverselle Smulatonsnstrument Ultrasm der BASF st nzwschen so erwetert worden, dass sch auch das Verhalten stahlselverstärkter Bautele am Computer genau vorhersagen lässt. Das spart Entwcklungszet und -kosten (Bld: BASF) Kraft 8 kn Smulaton Expermente mm 5 Weg Kunststoffe Besondere Synergen können be der Kombnaton von thermoplastschen Glas- oder Carbonfaser-Lamnaten (Organobleche) mt Stahlselverstärkung entstehen. In Sachen Festgket, Stefgket und Energeaufnahme eröffnet de Kombnaton des EASI-Konzepts mt lokalen Endlosfaserverstärkungen (englsch: Contnuous Fber Renforcement, CFR) wetere deutlche Verbesserungen, vor allem hnschtlch der Grundstefgket des Bautels. Als lokale Verstärkungen von Bautelen kommen mprägnerte undrektonale Gelege (UD-Tapes) oder de als thermoplastsche Lamnate (Organobleche) bezechneten gewebeverstärkten Halbzeuge n Frage. In beden Fällen werden de Halbzeuge durch Thermoformen dredmensonal gestaltet, anschleßend m Sprtzgeßprozess bespelswese mt enem wederum glasfaserverstärkten Polyamd übersprtzt und so zu Hybrdbautelen mt hoher Stefgket und Festgket verarbetet. Im Fall der Kombnaton mt EASI muss sozusagen nur noch en zwetes Halbzeug das mt Textl stablserte Stahlselgewebe engelegt werden. Fazt Mt EASI legen de dre Unternehmen Bekaert, Voestalpne Plastcs Solutons und FRANK VÖGE st Manager Busness Development be Voestalpne Plastcs Solutons, Roosendaal/Nederlande. DRIES MOORS st Innovatons- und Marketng- Manager be NV Bekaert SA, Kortrjk/Belgen. OLIVER GEIGER st m Busness Development Automobl der Geschäftsenhet Engneerng Plastcs Europe der BASF SE, Ludwgshafen, beschäftgt. DANIEL FERTIG st m Smulaton Engneerng n der Geschäftsenhet Engneerng Plastcs Europe der BASF SE, Ludwgshafen, tätg. SUMMARY REINFORCING WITH STEEL CORD COMPOSITE MATERIALS. A novel technology for manufacturng njecton molded parts wth contnuous steel cord renforcement (EASI) opens up an entrely new performance class for polymer components. The technque allows the producton of crash resstant, lower weght component parts whlst at the same tme provdng for a hgh degree of desgn freedom. Read the complete artcle n our magazne Kunststoffe nternatonal and on Kunststoffe 11/212 71