Basaltfaserverstärkte thermoplastische Strukturbauteile für Hochleistungsanwendungen

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1 Basaltfaserverstärkte thermoplastische Strukturbauteile für Hochleistungsanwendungen Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Nendel * Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Heinrich Cetex Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen gemeinnützige GmbH, Chemnitz, Deutschland Abstract Die Forderung nach CO 2 -Reduktion, Ressourcenschonung und Energieeinsparung wird in allen Lebensbereichen immer mehr zur treibenden Kraft. Insbesondere der Faktor Leichtbau, speziell die Verringerung bewegter Massen, führen zu einer Bewältigung dieser Problematik. Dabei müssen aber nicht nur die reinen Werkstoffe und ihre Eigenschaften genau analysiert werden, sondern es muss die gesamte Prozesskette von der belastungsgerechten Gestaltung und Auslegung des Faser-Kunststoff- Verbundes (FKV), über die Verarbeitungstechnologie der eingesetzten Werkstoffpaarungen bis hin zum komplexen Strukturbauteil mit vollständiger Funktionsintegration betrachtet und genau untersucht werden. Eine entsprechende Auswahl des richtigen Fasermaterials beeinflusst dabei ausschlaggebend die mechanischen Eigenschaften des Verbundes. Für Standard-Serienanwendungen kommen aus Kostengründen fast ausschließlich Glasfasern und für Hochleistungsanwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt Kohlenstofffasern zum Einsatz. Hinsichtlich des Eigenschaftsportfolios und des Preises dieser beiden Verstärkungs-fasern besteht noch eine große Lücke, welche durch den Einsatz der Basaltfaser geschlossen werden kann. Anwendung findet diese aus reinem Basaltgestein hergestellte Faser aktuell nur in sehr wenigen Fällen und dann nur in Form eines Gewebes mit einem duroplastischen Matrixsystem. Für den Einsatz der Basaltfaser als Verstärkungsfaser in Serienanwendungen ist die Kombination mit einer thermoplastischen Matrix unabdingbar. Durch den Einsatz der Basaltfaser als Endlosverstärkungsfaser im Ce-Preg -Prozess, werden die optimalen Eigenschaften durch eine gassenfreie und vollständig gestreckte Faservorlage im UD-Tape erreicht. Diese thermoplastischen UD-Prepregs werden in weiteren Verarbeitungsschritten als Schichtaufbau im Pressverfahren zu belastungsgerecht aufgebauten Organoblechen verpresst und können anschließend bspw. in einer Verfahrenskombination aus Thermoformen und Spritzgießen zu Strukturbauteilen für Hochleistungsanwendungen kombiniert werden. 1 Basaltfaserherstellung Zur Herstellung der Endlos-Basaltfasern wird das Basaltgestein bei Temperaturen um C aufgeschmolzen. Das Ausgangsmaterial weist eine Korngröße zwischen 5 bis 10 cm auf und wird vor der Zugabe in den Ofen gereinigt. Das auf- * nendel@cetex.de Seite 144

2 geschmolzene Basaltgestein wird über einen Fließspeißer mit konstantem Druck zur Düsenwanne geführt. Die Düsenwanne, auch Bushing genannt wie bei der Glasfaserherstellung, besitzt zwischen 250 und Öffnungen mit einem Durchmesser von 1 bis 2 mm. Nach dem Austritt aus den Düsen werden die Einzelfilamente mit einer Schlichte beaufschlagt. Diese ist für die textile Weiterverarbeitung der Fasern notwendig und kann zusätzlich haftvermittelnde Eigenschaften aufweisen, um ein optimales Faser-Matrix- Interface zu gewährleisten. Über einen Winder werden die Einzelfilamente mit Geschwindigkeiten von bis zu m/min abgezogen und auf einen Spinnkuchen aufgespult. Die Abzugsgeschwindigkeit des Winders bestimmt den effektiven Faserdurchmesser der Einzelfilamente. Dieser variiert zwischen 7 und 24 µm je nach Hersteller und Einsatzgebiet. Die so entstehenden Spinnkuchen bilden das Ausgangsmaterial für die Weiterverarbeitung zu Stapelfasern oder für den Assemblierprozess auf die Zieltextur des Basalt-Rovings (vgl. [i, ii, iii, iv, v, vi, vii, viii, ix, x, xi]). Für die Herstellung von FKV-Strukturen mit Basaltfaserverstärkung werden vorwiegend Texturen von und tex hergestellt und eingesetzt (vgl. Abbildung 1). Abb. 1: Prozessschema der Endlos-Basaltfaserherstellung In der nachfolgenden Tabelle sind die Eigenschaften der Basaltfaser denen anderer Verstärkungsfasern gegenübergestellt. Eigenschaften Tabelle 1: Vergleich ausgewählter Eigenschaften unterschiedlicher Verstärkungsfasern E- Glasfaser S- Glasfaser Wärmeleitzahl W/(m 0,034-0,031-0, K) 0,04 0,04 0, K ,1 Einheit Basaltfaser HT- Kohlenstofffaser Dichte g/cm 3 2,5-2,6 2,48-2,49 2,6-2,8 1,78 Zugfestigkeit MPa E-Modul (längs) GPa Bruchdehnung % 4,7 5,3 3,5 1,5-2,0 Einsatztemperatur C -60 bis bis bis bis Einsatzhöchsttemperatur C bis 500 bis 450 bis 700 bis 550 Wärmeausdehnungs-koeffizient (längs) Preis Euro/kg ,50-4, Seite 145

3 2 Ce-Preg -Technologie 2.1 Verfahrensablauf Das Verfahren verwendet als Grundprinzip die Film-Stacking-Imprägnierung. Dabei wird eine gleichmäßige unidirektionale Faservorlage ohne Gassen mit thermoplastischer Matrix teilimprägniert und somit in ihrer Lage fixiert. Durch dieses Verfahren wird der Energieeintrag bei der Tape-Herstellung auf ein Minimum beschränkt. Die Fasern werden dabei von einem Spulengatter abgerollt (Abbildung 2a) und auf einen Teilungsstab (Abbildung 2b), welcher die Faserbündel grob positioniert, ausrichtet und die Aufspreizung vordefiniert, geführt. Im nächsten Schritt werden die noch in Bündeln zusammenhängenden Fasern durch eine Aufspreizeinrichtung (Abbildung 2c) geleitet, sodass ein gleichmäßiges Faserband entsteht. Dieses gelangt nun in eine Infrarot-Heizstrecke (Abbildung 2d). Beim Aufheizen wird die Schlichte der Fasern aktiviert, was die spätere Verbindung mit der Matrixfolie ermöglicht. Diese Verbindung erfolgt beim Durchlaufen eines beheizten Kalanderwalzenpaares (Abbildung 2e). Von oben und unten werden gleichzeitig Thermoplastfolien zugeführt und aufgeschmolzen, wodurch es zur Imprägnierung der Fasern kommt. Zwei umlaufende Teflonbänder verhindern ein Ankleben des aufgeschmolzenen Materials an den Walzen. Das noch heiße Prepreg wird abschließend abgekühlt und zum Materialwickel geleitet (Abbildung 2f). Das beschriebene Herstellungsprinzip lässt sich in Abbildung 3 nachvollziehen. Abb. 2: Verfahrensschritte bei der Ce-Preg -Herstellung Seite 146

4 2.2 Organoblechherstellung Abb. 3: Prinzipdarstellung des Ce-Preg -Verfahrens Durch einen variablen Laminataufbau werden im Pressverfahren aus unidirektionalen Ce-Preg -Tapes belastungsgerecht aufgebaute Organobleche hergestellt (vgl. Abbildung 4). Abb. 4: Variabler Laminataufbau (links) und Presswerkzeug zur Organoblechherstellung (rechts) 3 Strukturbauteil Für die Herstellung von derartigen Strukturbauteilen ist die Entwicklung einer durchgängigen Prozesskette bspw. aus der Kombination Thermoformen von Organoblechen und Spritzguss unumgänglich. Eine Übersicht der durchgeführten Untersuchungen und der daraus resultierenden Prozesskette ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Abb.5: Prozesskette zur Herstellung von Strukturbauteilen Seite 147

5 Als Strukturbauteil wurde ein Crashträger-Demonstrator ausgewählt dessen Einsatzfähigkeit mit unterschiedlichen Verstärkungsfasersystemen validiert wurde (vgl. Abbildung 6). Abb. 6: Ausgewählter Strukturdemonstrator Dieser Strukturdemonstrator wurde mit Glas-, Basalt- und Kohlenstofffasern sowie einer PA6-Matrix des Organobleches und einer PA6.6-Matrix der Rippenstruktur hergestellt. Die Organobleche werden dabei in einer Vorwärmstation aufge-schmolzen, über ein entsprechendes Handlingsystem in ein Presswerkzeug einge-legt und umgeformt. Anschließend wird das umgeformte Organoblech umspritzt und die Rippenstruktur ausgebildet. Zur Prüfung des Strukturbauteils wird ein langsamer (1mm/min) und ein schneller (600mm/min) 3-Punkt-Biegeversuch durchgeführt, um eine Crasch-belastung zu simulieren (vgl. siehe Abbildung 7 & 8). Abb. 7: 3-Punkt-Biegeprüfung des Strukturdemonstrators Die Prüfergebnisse der untersuchten Materialien mit und ohne Organoblecheinleger sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Seite 148

6 25000 Maximale Biegekraft [N] GF ohne Einleger GF mit Einleger BF ohne Einleger BF mit Einleger CF ohne Einleger CF mit Einleger Prüfgeschwindigkeit 1 mm/min Prüfgeschwindigkeit 600 mm/min Abb.8: Ergebnisse der 3-Punkt-Biegeprüfung Zur Validierung des Imprägniergrades und der Faserverteilung wurden Schliffbilder angefertigt. Dabei ist zu erkennen, dass der Imprägniergrad sehr gut ist, es jedoch in den Druckbereichen zu einer Reduktion der Wandstärke kommt, was zu Faserbrüchen führen kann (vgl. Abbildung 9). Aus diesen Gründen ist bei der Werkzeugkonstruktion das eingesetzte Material zu berücksichtigen. Bereich der Kurzfaserverstärkung Abb. 9: Mikroskopische Untersuchung des Imprägnierverhaltens eines Strukturdemonstrators mit Basaltfaserverstärkung. Zusammenfassung reduzierte Schichtdicke Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Basaltfaser in der Lage ist, die Lücke hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften zwischen den Glas- und Kohlenstofffasern zu schließen. Besonders das Energieaufnahmevermögen dieser Faser ist im Vergleich zu anderen Fasern sehr hoch. Es handelt sich um eine noch am Anfang der Entwicklung befindliche Verstärkungsfaser mit großem Potential. Seite 149

7 Literatur [1] Rittler, H. L.: Method for making basalt glass ceramic fibers. United States Patent US 4,199,336, Hermann L. Ritter (Inventor) [2] Houston, R. L.: Method for forming mineral fibers. United Sates Patent US 4,353,724, Robert L. Houston (Inventor) [3] Shigeo, E., Haruo, K., Kimo, H., Yasuo, M., Akira, I.: A method and apparatus for producing fibers. European Patent Application EP A1, Endo Shigeo, Kawashima Haruo, Harita Kimo, Misu Yasuo, Itoh Akira (Inventors) [4] Battigelli, J., Bernard, J.-L., Berthier, G., Furtak, H.: Verfahren und vorrichtung zum Herstellen von Mineralfasern und mineralfasern also hergestellt. Deutsches Patent DE T2, Battigelli Jean, Bernard JeanLuc, Berthier Guy, Furtak, Hans (Erfinder) [5] Brik, V. B.: Multifunktional Apparatus for manufacturing mineral basalt fibers. United States Patent US 6,647,747 B1, Vladimir B. Brik (Inventor) [6] Gogoladze, P.: Verfahren zur Herstellung von Fasern aus Mineralstoffen. Deutsches Patent DE T5, Gogoladze Paata (Anmelder) [7] Kibol, V. F.: V.F. Kibols Produktionslinie für das Herstellen kontinuierlicher anorganischer Fasern aus Gesteinen (Varianten). Gebrauchsmusterschrift DE U1, Kibol Viktor F. (Anmelder) [8] Brik, A. V.: Apparatus integrated with ceramic bushing for manufacturing mineral/basalt fibers. United States Patent Application Publication US 2006/ A1, Alexesy V. Brik (Inventor) [9] Kamiya, S., Sasaki, H., Nakagawa, N.: Method for manufacturing basalt fiber. united states patent application publication US 2007/ A1, Sumio Kamiya, Hironori Sasaki, Noriaki Nakagawa (Inventors) [10] Kibol, V. F., Kibol, R. V.: "Kibol s Module" Plant for producing inorganic fibers of rocks. United States Patent Application Publication US 2010/ A1, Viktor F. Kibol, Roman V. Kibol (Inventors) [11] Kibol, V. F., Kibol, R. V.: Methods for producing fibers from rocks and a plant for carrying out said method. United States Patent Application Publication US 2010/ A1, Viktor F. Kibol, Roman V. Kibol (Inventors) Seite 150