faserverstärkte rkte Thermoplaste

Transkript

1 faserverstärkte rkte Thermoplaste L - Faserverstärkte Kunststoffe - Herbstsemester HS2010-K12 Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010 Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 1

2 Faserverstärkte Kunststoffe - Thermoplaste 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 4

3 1. Einführung 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 5

4 1. Einführung Motivation für Thermoplaste von faserverstärkten rkten Thermoplasten verspricht man sich gegenüber faserverstärkten rkten Duroplasten die folgenden Vorteile: Bauteile sind gutmütiger bei Impact wegen der typischerweise zäheren Thermoplast Matrix Strukturen in mehreren Schritten verform- und verschweissbar, da sich die Thermoplastmatrix mehrfach aufschmelzen lässt Prozesse mit kürzeren Zykluszeiten, da das Abkühlen von Thermoplasten unter die Schmelztemperatur typischerweise schneller geht als die chemische Reaktion beim aushärten von Duroplasten Bauteile und Produktionsabfälle können einfacher zu recycelt werden, da die Thermoplastmatrix wieder aufgeschmolzen werden kann Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 6

5 rehologisches Verhalten Quelle: Ziegmann, G: Processing of Fibre Composites - a Comparison of Thermoplastics and Thermosets; Verbundwerk `91, Wiesbaden Einführung die hohe Viskosität von Thermoplastschmelzen erschwert das Imprägnieren der Fasern mit der Schmelze Polypropylen Polyamid 6.6 Polyethersulfon Polycarbonat PEEK Viskosität Epoxy Temperatur [ C] Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 7

6 2. Prozessschritte 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 8

7 2. Prozessschritte Schema Fasern Matrix Halbzeug herstellen aufheizen formen & abkühlen beschneiden Bauteil Abfall die Matrix steht entweder als Granulat (meistens) oder las Pulver (eher selten) zur Verfügung; teilweise werden diese in einem ersten Schritt zu Folienhalbzeugen verarbeitet die anfallende Abfallmenge und der Aufwand beim beschneiden hängen stark vom eingesetzten Prozess ab Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 9

8 2. Prozessschritte Konsolidierung Fasern Matrix Halbzeug herstellen aufheizen formen & abkühlen beschneiden mögliche Prozessschritte für r Konsolidierung des Verbundes Bauteil Abfall die Konsolidierung des Verbundes (vollständiges Benetzen aller Fasern und "rausdrücken" der eingeschlossenen Luft) über die Schmelze braucht Temperatur, Druck & Zeit die Konsolidierung des Verbundes kann bei der Herstellung der Halbzeuge, beim aufheizen des Verbundes oder beim formen & (langsamen) abkühlen des Verbundes erfolgen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 10

9 2. Prozessschritte Halbzeuge Fasern Matrix Halbzeug herstellen aufheizen Bauteilhersteller formen & abkühlen beschneiden typischerweise externer Halbzeuglieferant Bauteil Abfall Prozesse, die direkt Fasern und Matrix verarbeiten können (d.h. ohne speziell hergestellte Halbzeuge auskommen), haben bei grossen Serien typischerweise geringere Bauteilkosten Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 11

10 2. Prozessschritte Halbzeuge die Herstellung der Halbzeuge erfolgt: meistens über die Schmelze auch dabei wird der Verbund aufgeheizt (bis die Matrix geschmolzen ist), geformt & abgekühlt sowie, falls notwendig, beschnitten selten (teuer) mit Lösungsmitteln dabei wird die Matrix zuerst in geeigneten Substanzen gelöst, dann werden mit der niedrig viskosen Lösung die Fasern imprägniert und anschliessend wird das Lösungsmittel wieder abgeschieden alternativen Verfahren; die Idee die Fasern mit Oligomeren (chemische Vorstufe bei der Polymerherstellung mit typischerweise niedrigviskoser Schmelze) zu imprägnieren und anschliessend zu die Matrix zu polymerisieren wird erforscht Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 12

11 2. Prozessschritte Halbzeuge typische Halbzeuge sind: Textilien aus Matrixfasern und Verstärkungsfasern: - vernadelte Matten - Endlos- oder Stapelfaser Mischgarne oder daraus hergestellte Gewebe, Gelege, etc. voll oder teilweise konsolidierte Thermoplast Prepregs (Verstärkung als Matten oder Endlosfasertextilien) "Organobleche" "trockene" Textilien aus Verstärkungsfasern und Thermoplast Folien spezielle Halbzeugformen, wie z.b. ein Matrixschlauch mit Endlosfasern und Matrix drin (FIT) spezielle Halbzeuge (z.b. mit stark vernadelten Matten) können beim Aufheizen "aufgehen" (durch Rückstellkräfte in den Verstärkungsfasern) und bieten so interessante Möglichkeiten, z.b. als Kernmaterialien für Sandwichstrukturen oder als poröse Deckschichten für akustische Absorber Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 13

12 2. Prozessschritte Kommentare bei Prozessen für hohe Stückzahlen sollten die Prozessschritte "aufheizen" und "formen & abkühlen" örtlich getrennt werden dabei können energieintensive und typischerweise langsame Temperaturzyklen von Werkzeugen vermieden werden die Konsolidierung des faserverstärkten Thermoplast Verbundes braucht Zeit; schnelle Prozesse (Zykluszeiten unter 1 Min.) machen daher folgendes: arbeiten mit voll konsolidierten Halbzeugen (z.b. Pressformen) konsolidieren den Verbund beim aufheizen über eine längere Zeitspanne (Material für mehrere Bauteilzyklen ist gleichzeitig in Aufheizzone, z.b. im Extruder beim Spritzgiessen oder LFT) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 14

13 2. Prozessschritte 2. Prozessschritte 2.1. aufheizen 2.2. abkühlen 2.3. transportieren 2.4. beschneiden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 15

14 2.1. Prozessschritte - aufheizen 2. Prozessschritte 2.1. aufheizen 2.2. abkühlen 2.3. transportieren 2.4. beschneiden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 16

15 2.1. Prozessschritte - aufheizen Überblick das Aufheizen des Verbundes erfolgt typischerweise: in einer Heisspresse (durch Wärmeleitung) in einem Extruder (durch Wärmeleitung) in einem Ofen (durch Wärmekonvektion) mit Luft oder in seltenen Fällen mit Inertgas mit Infrarotstrahlern (durch Wärmestrahlung) mit einem Laser (durch Wärmestrahlung) durch Induktion (in elektrischen Leitern, Z.B. Kohlenstoffasern) durch Reibung (z.b. mit Ultraschall angeregt) mit einer offenen Flamme mit Mikrowellen mit Radiowellen durch "hindurchblasen" von Heissdampf (poröse Strukturen) etc. Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 17

16 2.2. Prozessschritte - abkühlen 2. Prozessschritte 2.1. aufheizen 2.2. abkühlen 2.3. transportieren 2.4. beschneiden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 18

17 2.2. Prozessschritte - abkühlen Überblick das Abkühlen der umgeformten Bauteile erfolgt typischerweise durch Kontakt zum (gekühlten) Formgebungswerkzeug poröse Strukturen (normalerweise nicht strukturell) können auch durch "hindurchblasen" von kalter Luft gekühlt werden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 19

18 2.3. Prozessschritte - transportieren 2. Prozessschritte 2.1. aufheizen 2.2. abkühlen 2.3. transportieren 2.4. beschneiden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 20

19 2.3. Prozessschritte - transportieren Überblick der Transport zwischen zwei Prozessschritten erfolgt typischerweise: durch Mitarbeiter mit Robotern mit Linearführungen etc. der Entscheid, ob Mitarbeiter oder automatisierte Verfahren zum Transport eingesetzt werden hängt von der erwarteten Seriengrösse und vom örtlichen Lohnniveau ab der Transport zwischen den Prozessschritten "aufheizen" und "formen & abkühlen" muss schnell und immer unter gleichen Umgebungsbedingungen erfolgen, damit der Verbund nicht zu stark auskühlt Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 21

20 2.4. Prozessschritte - beschneiden 2. Prozessschritte 2.1. aufheizen 2.2. abkühlen 2.3. transportieren 2.4. beschneiden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 22

21 2.4. Prozessschritte - beschneiden Überblick dar beschneiden der Bauteile erfolgt typischerweise durch: stanzen Wasserstrahlschneiden fräsen schneiden (mit Messer) sägen (gerade Schnitte) etc. Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 23

22 3. Fliessprozesse 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 24

23 3. Fliessprozesse Überblick die bekanntesten Fliessprozesse mit Thermoplast Matrix sind: Spritzgiessen LFT (langfaserverstärkte Thermoplaste) GMT (glasmattenverstärkte Thermoplaste) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 25

24 3. Fliessprozesse 3. Fliessprozesse 3.1. Spritzgiessen 3.2. LFT 3.3. GMT Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 26

25 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen 3. Fliessprozesse 3.1. Spritzgiessen 3.2. LFT 3.3. GMT Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 27

26 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Überblick Kurzbeschreibung: das Granulat wird mit einem Extruder aufgeschmolzen und mit hohem Druck in ein geschlossenes kaltes Werkzeug gedrückt typische Matrix: Thermoplaste (PA, PP, PE, PC, PS, etc.) typische Fasern: Halbzeuge: keine, Glasfasern, Naturfasern, Kohlenstofffasern Granulat, teilweise mit Verstärkungsfasern Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 28

27 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Schema Input 1 Werkzeug schliessen Verbund (Granulat) 2 Verbund einspritzen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 29

28 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Schema 3 Bauteil abkühlen 4 Werkzeug öffnen Output Bauteil Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 30

29 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Möglichkeiten & Grenzen mech. Eigenschaften Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien Sandwichstrukturen poröse Strukturen durch tiefe Faservolumengehalte (typischerweise < 20 % Vol ) sowie eher zufällig ausgerichtete und kurze (typischerweise < 5 mm) Fasern können nur mässige mech. Eigenschaften erreicht werden rundum steife Werkzeuge rundum eng tolerierte Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien (Rippen, etc.) sind einfach realisierbar Sandwichstrukturen können nur sehr aufwendig realisiert werden die Herstellung poröser Strukturen ist äusserst schwierig Temperaturen die Verarbeitung liegt bei den meisten Matrixsystemen deutlich über 150 C Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 31

30 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Möglichkeiten & Grenzen Verarbeitung typischerweise bei Drücken Drücke von bar Halbzeuge Anzahl Prozessschritte Zykluszeiten Automatisierung Investitionen typischerweise Einsatz von faserverstärktem Granulat, Prozessvarianten mit unverstärktem Granulat und Faserrovings existieren Verarbeitung in einem Schritt möglich typische Zykluszeiten zwischen 3 Sekunden und 3 Minuten typischerweise voll automatisierter Prozess hohe Drücke und Temperaturen sowie doppelseitige Werkzeuge erfordern bauteilabhängig grosse Investitionen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 32

31 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Möglichkeiten & Grenzen Produktionsabfälle Einsatz von Recyclaten typischerweise fallen sehr kleine Mengen an Produktionsabfällen an (Angüsse), diese können im Normalfall direkt in den Prozess zurückgeführt werden saubere Recyclate können problemlos im Spritzgussprozess eingesetzt werden; die Bauteileigenschaften sind ähnlich wie mit Neumaterial Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 33

32 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Stärken sehr komplexe Formen können schnell hergestellt werden Net-Shape Prozess sehr geringe Abfallmengen in der Fertigung (Angusstücke können meistens direkt recycelt werden) saubere Monomaterialkomponenten können einfach recycelt werden gute Oberflächenqualität (für Class-A Oberflächen müssen Komponenten jedoch noch lackiert werden) Schwächen chen nur mässige mechanische Eigenschaften erreichbar falls ein Lackieren gewünscht wird, muss die Oberfläche vorbehandelt werden Herstellung von Sandwichbauteilen ist sehr schwierig Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 34

33 3.1. Fliessprozesse - Spritzgiessen Schlüssel Know-how Design des Extruders (Schnecke) Konstruktion von Werkzeugen für komplexe Bauteile Potential hinterspritzen von Oberflächengelegen Class-A Oberflächen sind durch hinterspritzen von Folien möglich spritzen mehrerer Materialien in einem Werkzeug z.b. direktes anspritzen von Dichtungen möglich Werkstoffrecycling der Bauteile wird erschwert Prozessvarianten, die die Verarbeitung längerer Fasern zulassen bessere mechanische Eigenschaften kombinierte Prozesse mit Endlosfasereinlagen bessere mechanische Eigenschaften Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 35

34 3.2. Fliessprozesse - LFT 3. Fliessprozesse 3.1. Spritzgiessen 3.2. LFT 3.3. GMT Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 36

35 3.2. Fliessprozesse - LFT Überblick Kurzbeschreibung: Fasern und Matrix werden in einem Extruder vermischt und aufgeheizt, die Masse wird in ein offenes kaltes Werkzeug gelegt und füllt beim schliessen der Presse die Kavität des Werkzeugs typische Matrix: typische Fasern: Halbzeuge: Thermoplaste (mehrheitlich PP) Glasfasern Faserrovings und Matrixgranulat direkt LFT oder (selten) faserverstärktes Granulat (in Form von Stäbchen) Granulat LFT Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 37

36 3.2. Fliessprozesse - LFT Schema - direkt LFT Input 1 Matrix extrudieren Matrix Granulat, Additive, Glasfasern 2 Verbund extrudieren Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 38

37 3.2. Fliessprozesse - LFT Schema - direkt LFT 3 Transport zur Formpresse 4 fliesspressen des Bauteils Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 39

38 3.2. Fliessprozesse - LFT Schema - direkt LFT 5 abkühlen des Bauteils 6 Transport zur Stanzpresse Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 40

39 3.2. Fliessprozesse - LFT Schema - direkt LFT 7 Beschnitt der Löcher Output Bauteil, Löcher (Abfall) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 41

40 3.2. Fliessprozesse - LFT Schema - Granulat LFT Input 1 Verbund extrudieren 2 Transport zur Formpresse Verbundstäbchen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 42

41 3.2. Fliessprozesse - LFT Schema - Granulat LFT 3 fliesspressen des Bauteils 4 abkühlen des Bauteils Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 43

42 3.2. Fliessprozesse - LFT Schema - Granulat LFT 5 Transport zur Stanzpresse 6 Beschnitt der Löcher Output Bauteil, Löcher (Abfall) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 44

43 3.2. Fliessprozesse - LFT Möglichkeiten & Grenzen mech. Eigenschaften Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien Sandwichstrukturen durch tiefe Faservolumengehalte (typischerweise < 30 % Vol ) sowie eher zufällig ausgerichtete (typischerweise < 30 mm lange) Fasern können nur mässige mechanische Eigenschaften erreicht werden rundum steife Werkzeuge rundum eng tolerierte Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien (Rippen, etc.) sind einfach realisierbar Sandwichstrukturen können nur sehr aufwendig realisiert werden (durch Pressformen kann man jedoch mit GMT Halbzeugen interessante Sandwichstrukturen herstellten) poröse Strukturen die Herstellung poröser Strukturen ist schwierig Temperaturen die Verarbeitung liegt bei typischen Matrixsystemen (z.b. PP) über 150 C Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 45

44 3.2. Fliessprozesse - LFT Möglichkeiten & Grenzen Verarbeitung typischerweise bei Drücken Drücke von bar Halbzeuge Anzahl Prozessschritte Zykluszeiten Automatisierung Investitionen mehrheitlich Faserrovings und Matrixgranulat Verarbeitung in einem Schritt möglich typische Zykluszeiten unter 1 Minute für dünne und unter 2 Minuten für dicke Bauteile typischerweise zum grössten Teil automatisierter Prozess hohe Drücke und Temperaturen sowie doppelseitige Werkzeuge erfordern bauteilabhängig grosse Investitionen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 46

45 3.2. Fliessprozesse - LFT Möglichkeiten & Grenzen Produktionsabfälle Einsatz von Recyclaten typischerweise fallen sehr kleine Mengen an Produktionsabfällen an (Materialaustritt an Tauchkante) Einsatz von Recyclaten ist im LFT Prozess möglich Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 47

46 3.2. Fliessprozesse - LFT Stärken Prozess eignet sich sehr gut für mittelgrosse flächige Bauteile (z.b. Unterbodenverkleidung von Autos) Net-Shape Prozess sehr geringe Abfallmengen in der Fertigung saubere Monomaterialkomponenten können einfach recycelt werden längere Fasern führen zu besseren Impacteigenschaften im Vergleich zu mit Spritzgussprozessen hergestellten Bauteilen kostengünstigere Halbzeuge führen im Vergleich zum GMT Prozess zu kostengünstigeren Bauteilen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 48

47 3.2. Fliessprozesse - LFT Schwächen chen kürzere Fasern führen zu schlechteren Impacteigenschaften im Vergleich zu mit den GMT Prozess hergestellten Bauteilen nur mässige mechanische Eigenschaften erreichbar falls ein Lackieren oder Verkleben gewünscht wird, muss die Oberfläche vorbehandelt werden speziell aufwendig bei der typischerweise verwendeten PP Matrix Herstellung von Sandwichbauteilen ist schwierig Materialaustritt an Tauchkante muss typischerweise von Hand entfernt werden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 49

48 3.2. Fliessprozesse - LFT Schlüssel Know-how Compoundierung des Materials gute Faser-Matrix Haftung gutes Fliessverhalten Steuerung des Pressvorgangs beim schnellen schliessen der Presse Potential Kombination mit Endlosfasereinlagen lokal stark verbesserte mechanische Eigenschaften siehe E-LFT Prozess (kombinierte Prozesse) Hinterpressen von funktionalen Lagen Integration von Funktionen Werkzeugdesign, so dass Tauchkante in Bereichen liegt, wo der Materialaustritt nicht stört Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 50

49 3.3. Fliessprozesse - GMT 3. Fliessprozesse 3.1. Spritzgiessen 3.2. LFT 3.3. GMT Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 51

50 3.3. Fliessprozesse - GMT Überblick Kurzbeschreibung: die Platte wird in einem Ofen aufgeheizt, in ein offenes kaltes Werkzeug gelegt und füllt beim schliessen der Presse die Kavität des Werkzeugs typische Matrix: typische Fasern: Halbzeuge: Thermoplaste (mehrheitlich PP) Glasfasern mit einer Schnittfaserplatte verstärkte Thermoplastplatte Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 52

51 3.3. Fliessprozesse - GMT Schema Input 1 aufheizen der Verbundplatten Verbundplatten 2 Transport zur Formpresse Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 53

52 3.3. Fliessprozesse - GMT Schema 3 fliesspressen des Bauteils 4 abkühlen des Bauteils Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 54

53 3.3. Fliessprozesse - GMT Schema 5 Transport zur Stanzpresse 6 Beschnitt der Löcher Output Bauteil, Löcher (Abfall) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 55

54 3.3. Fliessprozesse - GMT Möglichkeiten & Grenzen mech. Eigenschaften Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien Sandwichstrukturen durch tiefe Faservolumengehalte (typischerweise < 30 % Vol ) sowie eher zufällig ausgerichtete (typischerweise < 60 mm lange) Fasern können nur mässige mechanische Eigenschaften erreicht werden rundum steife Werkzeuge rundum eng tolerierte Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien (Rippen, etc.) sind einfach realisierbar Sandwichstrukturen können nur sehr aufwendig realisiert werden (durch Pressformen kann man jedoch mit GMT Halbzeugen interessante Sandwichstrukturen herstellen) poröse Strukturen die Herstellung poröser Strukturen ist schwierig Temperaturen die Verarbeitung liegt bei typischen Matrixsystemen (z.b. PP) über 150 C Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 56

55 3.3. Fliessprozesse - GMT Möglichkeiten & Grenzen Verarbeitung typischerweise bei Drücken Drücke von bar Halbzeuge Anzahl Prozessschritte Zykluszeiten Automatisierung Investitionen mit Thermoplast Matrix imprägnierte Schnittglasmatte Verarbeitung in einem Schritt möglich typische Zykluszeiten unter 1 Minute für dünne und unter 2 Minuten für dicke Bauteile typischerweise zum grössten Teil automatisierter Prozess hohe Drücke und Temperaturen sowie doppelseitige Werkzeuge erfordern bauteilabhängig grosse Investitionen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 57

56 3.3. Fliessprozesse - GMT Möglichkeiten & Grenzen Produktionsabfälle Einsatz von Recyclaten typischerweise fallen sehr kleine Mengen an Produktionsabfällen an (Materialaustritt an Tauchkante) Einsatz von Recyclaten ist bei der Herstellung von GMT Halbzeugen prinzipiell möglich Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 58

57 3.3. Fliessprozesse - GMT Stärken Prozess eignet sich sehr gut für mittelgrosse flächige Bauteile (z.b. Unterbodenverkleidung von Autos) Net-Shape Prozess sehr geringe Abfallmengen in der Fertigung saubere Monomaterialkomponenten können einfach recycelt werden längere Fasern führen zu deutlich besseren Impacteigenschaften im Vergleich zu mit LFT- & Spritzgussprozessen hergestellten Bauteilen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 59

58 3.3. Fliessprozesse - GMT Schwächen chen nur mässige mechanische Eigenschaften erreichbar falls ein Lackieren oder Verkleben gewünscht wird, muss die Oberfläche vorbehandelt werden speziell aufwendig bei der typischerweise verwendeten PP Matrix Herstellung von Sandwichbauteilen ist schwierig Materialaustritt an Tauchkante muss typischerweise von Hand entfernt werden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 60

59 3.3. Fliessprozesse - GMT Schlüssel Know-how Compoundierung des Halbzeugs gute Faser-Matrix Haftung gutes Fliessverhalten Steuerung des Pressvorgangs beim schnellen schliessen der Presse Potential Integration von Endlosfasereinlagen im Halbzeug lokal stark verbesserte mechanische Eigenschaften siehe GMTex Prozess (kombinierte Prozesse) Hinterpressen von funktionalen Lagen Integration von Funktionen Werkzeugdesign, so dass Tauchkante in Bereichen liegt, wo der Materialaustritt nicht stört Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 61

60 4. Drapier- / Verstreckprozesse 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 62

61 4. Drapier- / Verstreckprozesse Überblick die bekanntesten Drapier- / Verstreckprozesse mit Thermoplast Matrix sind: Pressformen Vakuum umformen Pultrusion Wickeltechnik Diaphragma umformen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 63

62 4. Drapier- / Verstreckprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 4.1. Pressformen (Thermoplaste) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 64

63 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) 4. Drapier- / Verstreckprozesse 4.1. Pressformen (Thermoplste) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 65

64 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Überblick Kurzbeschreibung: das Halbzeug wird erwärmt (typischerweise Kontaktheizung in zweiter Presse, Umluftofen oder IR- Strahler), in der kalten Presse (zweiseitiges Werkzeug) umgeformt und abgekühlt typische Matrix: typische Fasern: Halbzeuge: Thermoplaste (PP, PE, PA, etc.) Glasfasern, Kohlenstofffasern, Naturfasern, etc. textiles Halbzeug (Gewebe, gerichtete Fasern, etc.) mit Matrix (nicht klebrig) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 66

65 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Schema (Beispiel) Input 1 aufheizen des Stapels Stapel verschiedener Lagen 2 Transport zur Formpresse Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 67

66 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Schema (Beispiel) 3 formen des Bauteils 4 abkühlen des Bauteils Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 68

67 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Schema (Beispiel) 5 Transport zur Stanzpresse 6 Beschnitt von Rand & Löcher Output Bauteil, Rand (Abfall), Löcher (Abfall) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 69

68 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Möglichkeiten & Grenzen mech. Eigenschaften Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien Sandwichstrukturen poröse Strukturen Temperaturen hohe Faservolumengehalte (> 50 % Vol ) sowie entsprechend den Lasten ausgerichtete Endlosfasern sind möglich typischerweise rundum steife Werkzeuge rundum eng tolerierte Oberflächentoleranzen typischerweise nur flächige Bauteile (Lage auf Lage) Sandwichstrukturen können problemlos realisiert werden die Herstellung poröser Strukturen ist mit geeigneten Halbzeugen möglich die Verarbeitung liegt typischerweise (anhängig von der Matrix) über 150 C die Verarbeitung ist bei Drücken Drücke unter 10 bar möglich Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 70

69 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Möglichkeiten & Grenzen Halbzeuge Anzahl Prozessschritte Zykluszeiten Automatisierung Investitionen Produktionsabfälle typischerweise werden flächige Halbzeuge verwendet (oft mehrere Lagen) Verarbeitung in einem Schritt möglich Zykluszeiten von unter 1 Minute sind in vielen Fällen möglich Thermoplast Pressformprozesse werden oft automatisiert es werden doppelseitige Werkzeuge benötigt (typischerweise Metallwerkzeuge) typischerweise fallen 20 % - 40 % der eingekauften Halbzeuge als Abfall an Einsatz von Recyclaten Einsatz von Recyclaten ist bei der Herstellung von Halbzeugen prinzipiell möglich Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 71

70 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Stärken mögliche hohe Faservolumengehalte und ausgerichtete Fasern führen zu guten mechanischen Eigenschaften kurze Zykluszeiten ermöglichen die Herstellung von Bauteilen in grossen Serien der Prozess eignet sich gut für mittelgrosse flächige Bauteile (abhängig von der Grösse der Presse) Herstellung von Sandwichbauteilen möglich Integration von funktionalen Lagen möglich saubere Monomaterialkomponenten können einfach recycelt werden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 72

71 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Schwächen chen typischerweise fallen 20 % - 40 % der eingekauften Halbzeuge als Abfall an beschneiden der geformten Bauteile kann je nach verwendeten Werkstoffen aufwendig und schwierig sein Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 73

72 4.1. Drapier- / Verstreckprozesse - Pressformen (Thermoplaste) Schlüssel Know-how bei mehrlagigen Aufbauten: abstimmen der Prozesseigenschaften der einzelnen Lagen, so dass alle (mit vernünftigem Prozessfenster) in einem Schritt verarbeitet werden können Konstruktion der Haltevorrichtung für die Halbzeuge, so dass am Ende möglichst wenig Rand weggeschnitten werden muss Potential Herstellung von multifunktionalen Bauteilen Integration von funktionalen Elementen und Lagen Herstellung von porösen Strukturen als akustische Absorber Herstellung von leichten und steifen Sandwichstrukturen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 74

73 5. LCM Prozesse 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 75

74 5. LCM Prozesse Überblick das Imprägnieren von trockenen Fasergelegen durch Injektion von Thermoplastschmelzen ist aufgrund deren hoher Viskosität nicht möglich es gibt in der Forschung Harzsysteme, die im RTM Prozess in einem flüssigen Zustand injiziert werden können und dann zu einem Thermoplasten reagieren Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 76

75 6. kombinierte Prozesse 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 77

76 6. kombinierte Prozesse Überblick die bekanntesten kombinierten Prozesse mit Thermoplast Matrix sind: GMTex (GMT (glasmattenverstärkte Thermoplaste) & Textilien) E-LFT (Endlosfaser LFT (langfaserverstärkte Thermoplaste)) mit Endlosfasern verstärkter Spritzguss im Normalfall versucht man für den Fliessprozess und die Endlosfaserverstärkung die gleiche Matrix zu verwenden Vorteile beim Verbund zwischen Fliessprozessabschnitt und "Endlosfaser Abschnitt" sowie beim Recycling Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 78

77 6. kombinierte Prozesse 6. kombinierte Prozesse 6.1. GMTex Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 79

78 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex 6. kombinierte Prozesse 6.1. GMTex Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 80

79 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Überblick Kurzbeschreibung: die Platte wird in einem Ofen aufgeheizt und in ein offenes kaltes Werkzeug gelegt; beim schliessen der Presse werden das Gewebe oder die UD Fasern drapiert und die fliessende Matte füllt die Kavität des Werkzeugs typische Matrix: typische Fasern: Halbzeuge: Thermoplaste (mehrheitlich PP) Glasfasern mit einer Schnittfasermatte sowie mit einem Gewebe oder mit UD Fasern verstärkte Thermoplastplatte Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 81

80 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Schema Input 1 aufheizen der Verbundplatten Verbundplatten (GMT & Endlosverstärkung) 2 Transport zur Formpresse Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 82

81 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Schema 3 fliesspressen des Bauteils 4 abkühlen des Bauteils Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 83

82 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Schema 5 Transport zur Stanzpresse 6 Beschnitt der Löcher Output Bauteil, Löcher (Abfall) Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 84

83 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Möglichkeiten & Grenzen mech. Eigenschaften Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien Sandwichstrukturen lokal (dort, wo benötigt), sind hohe Faservolumengehalte (> 50 % Vol ) sowie entsprechend den Lasten ausgerichtete Endlosfasern möglich rundum steife Werkzeuge rundum eng tolerierte Oberflächentoleranzen komplexe Geometrien (Rippen, etc.) sind einfach realisierbar Sandwichstrukturen können nur sehr aufwendig realisiert werden (durch Pressformen kann man jedoch mit GMTex Halbzeugen interessante Sandwichstrukturen herstellen) poröse Strukturen die Herstellung poröser Strukturen ist schwierig Temperaturen die Verarbeitung liegt bei typischen Matrixsystemen (z.b. PP) über 150 C Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 85

84 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Möglichkeiten & Grenzen Verarbeitung typischerweise bei Drücken Drücke von bar Halbzeuge Anzahl Prozessschritte Zykluszeiten Automatisierung Investitionen Schnittglasmatte sowie UD Fasern Und/oder Gewebe, die mit Thermoplast Matrix imprägniert sind Verarbeitung in einem Schritt möglich typische Zykluszeiten unter 1 Minute für dünne und unter 2 Minuten für dicke Bauteile typischerweise zum grössten Teil automatisierter Prozess hohe Drücke und Temperaturen sowie doppelseitige Werkzeuge erfordern bauteilabhängig grosse Investitionen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 86

85 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Möglichkeiten & Grenzen Produktionsabfälle Einsatz von Recyclaten typischerweise fallen sehr kleine Mengen an Produktionsabfällen an (Materialaustritt an Tauchkante) Einsatz von Recyclaten ist bei der Herstellung von GMTex Halbzeugen prinzipiell möglich Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 87

86 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Stärken lokal hohe Faservolumengehalte und ausgerichtete Fasern führen zu guten mechanischen Eigenschaften Net-Shape Prozess sehr geringe Abfallmengen in der Fertigung Prozess eignet sich sehr gut für mittelgrosse flächige Bauteile (z.b. Unterbodenverkleidung von Autos) saubere Monomaterialkomponenten können einfach recycelt werden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 88

87 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Schwächen chen falls ein Lackieren oder Verkleben gewünscht wird, muss die Oberfläche vorbehandelt werden speziell aufwendig bei der typischerweise verwendeten PP Matrix Herstellung von Sandwichbauteilen ist schwierig Materialaustritt an Tauchkante muss typischerweise von Hand entfernt werden Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 89

88 6.1. kombinierte Prozesse - GMTex Schlüssel Know-how Compoundierung des Halbzeugs gute Faser-Matrix Haftung gutes Fliessverhalten Steuerung des Pressvorgangs beim schnellen schliessen der Presse Potential optimierte Leichtbaustrukturen durch Ausnutzung der lokal guten mechanischen Eigenschaften (hohe Faservolumengehalte, ausgerichtete Fasen) sowie des Leichtbaupotentials durch komplexe Geometrien (Rippen, etc.) Hinterpressen von funktionalen Lagen Integration von Funktionen Werkzeugdesign, so dass Tauchkante in Bereichen liegt, wo der Materialaustritt nicht stört Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 90

89 7. Hybridprozesse 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 91

90 7. Hybridprozesse Überblick der bekannteste Hybridprozess mit Thermoplastmatrix ist das Blech umspritzen Verbindung Blech - Kunststoff durch Formschluss durch die typischerweise angespritzte Verrippung wird ein Beulen des Bleches zu grösseren Lasten verschoben Montagepunkte, Befestigungselemente und andere funktionale Elemente können direkt angespritzt werden der thermische Ausdehnungskoeffizient vom Blech und vom faserverstärkten Kunststoff sollte möglichst gleich sein heute wird typischerweise mit Glasfasern verstärktes Polyamid (PA/GF) verwendet ( Lanxess Patent) Frontträger Smart ForTwo Quelle: MZ, Automobilsalon Genf 2008 Hybridprozesse sind auch in Kombination mit Fliesspressverfahren (LFT, GMT) möglich Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 92

91 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste 1. Einführung 2. Prozessschritte 3. Fliessprozesse 4. Drapier- / Verstreckprozesse 5. LCM Prozesse 6. kombinierte Prozesse 7. Hybridprozesse 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 93

92 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Prozesse x x x Fasern x x Matrices Einfluss Ziele Anforderungen mech. Eigenschaften komplexe Geometrien Leichtbau Funktions- Fertigung integration Kosten Oberflächentoleranzen x x x x Recycling & Umwelt kleben & lackieren Chemikalien, etc. x Sandwichstrukturen x x x x x x x x x x x x x x x poröse Strukturen Temperaturen Drücke Prozessfenster Halbzeuge Anzahl Prozessschritte Zykluszeiten Automatisierung Investitionen Produktionsabfälle Einsatz von Recyclaten x x x x x Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 94

93 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste mechanische Eigenschaften Thermoplast Matrices faserverstärkte Thermoplaste zeigen aufgrund der typischerweise zäheren Matrix Vorteile bei Impact gefährdeten Bauteilen Duroplast Matrices die typischerweise hohe Steifigkeit von Duroplast Matrices erlaubt eine optimale Ausnutzung der statisch mechanischen Fasereigenschaften (abstützen der Fasern gegen ausknicken bei Druckbelastung) faserverstärkte Thermoplaste und Duroplaste haben sehr gute mechanische Eigenschaften Präferenzen je nach Detail - Anforderungsprofil Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 95

94 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste kleben & lackieren Thermoplast Matrices die Möglichkeiten zum kleben oder lackieren von Bauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten hängt von der eingesetzten Matrix ab speziell das oft verwendete Polypropylen ist schwierig zu lackieren & zu verkleben Duroplast Matrices die üblicherweise eingesetzten Duroplast Matrices können einfach lackiert oder verklebt werden Bauteile aus faserverstärkten Duroplasten können einfacher lackiert oder verklebt werden Vorteile bei Reparaturen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 96

95 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Chemikalien, etc. Thermoplast Matrices Thermoplaste sind lineare Kettenmoleküle sie können aufschmelzen, anschwellen oder gelöst werden Duroplast Matrices Duroplaste sind dreidimensional intensiv vernetzte Moleküle (1 Bauteil = 1 Molekül) sie können nicht aufschmelzen, nicht anschwellen und nicht gelöst werden faserverstärkte Duroplaste haben typischerweise eine bessere Chemikalienbeständigkeit Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 97

96 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Temperaturen Thermoplast Matrices die mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten hängen oft stark von der Temperatur ab --- die maximale Einsatztemperatur liegt typischerweise deutlich unterhalb der Verarbeitungstemperatur Duroplast Matrices faserverstärkte Duroplaste haben typischerweise bis zur Zersetzungstemperatur brauchbare mechanische Eigenschaften --- die maximale Einsatztemperatur liegt oft nur leicht unterhalb der Verarbeitungstemperatur faserverstärkte Duroplaste haben typischerweise eine bessere Temperaturstabilität Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 98

97 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Prozessfenster Thermoplast Matrices Thermoplast Schmelzen haben eine hohe Viskosität imprägnieren der Fasern braucht hohe Drücke & viel Zeit --- Temperatur und Zeit müssen bei der Verarbeitung von faserverstärkten Thermoplasten typischerweise in engen Toleranzen geregelt werden Duroplast Matrices nicht ausgehärtete Duroplaste haben eine tiefe Viskosität imprägnieren der Fasern bei tiefen Drücken & schnell --- das vollständige Ablaufen der chemischen Reaktion bei der Verarbeitung von faserverstärkten Duroplasten benötigt typischerweise eine minimale Temperatur für eine gewisse Zeit faserverstärkte Duroplaste haben typischerweise ein grösseres Prozessfenster Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 99

98 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Halbzeuge Thermoplast Matrices Halbzeuge zur Herstellung von faserverstärkten Thermoplasten können üblicherweise bei Raumtemperatur ohne zeitliche Beschränkung gelagert werden Duroplast Matrices Halbzeuge zur Herstellung von faserverstärkten Duroplasten haben üblicherweise eine beschränkte Haltbarkeit unter speziellen Lagerbedingungen (shelf life) und während der Verarbeitung (shop life) z.b. müssen Einkomponentenharzsysteme (Duroplast Prepregs, Injektionsharze, Klebstoffe, etc.) typischerweise bei -18 C gelagert werden Halbzeuge für die Herstellung von faserverstärkten Thermoplasten sind üblicherweise deutlich einfacher im Handling Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 100

99 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Zykluszeiten Thermoplast Matrices während der Verarbeitung muss die Matrix von faserverstärkten Thermoplasten aufgeschmolzen (aufheizen über Schmelztemperatur) und wieder abgekühlt (unterhalb Schmelztemperatur) werden Duroplast Matrices bei der Verarbeitung von faserverstärkten Duroplasten entsteht die Matrix durch eine chemische Vernetzungsreaktion (braucht Zeit) faserverstärkte Thermoplaste haben typischerweise kürzere Zykluszeiten Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 101

100 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Investitionen Thermoplast Matrices die Verarbeitung von faserverstärkten Thermoplasten benötigt typischerweise hohe Temperaturen und hohe Drücke sowie eine exakte Regelung der Prozessparameter Duroplast Matrices die Verarbeitung von faserverstärkten Duroplasten ist oft bei Raumtemperatur oder bei leicht erhöhten Temperaturen möglich und hat meistens ein grosses Prozessfenster die Verarbeitung von faserverstärkten Duroplasten erfordert typischerweise kleinere Investitionen in Maschinen und Werkzeuge Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 102

101 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Produktionsabfälle Thermoplast Matrices in vielen Prozessen zur Verarbeitung von faserverstärkten Kunststoffen mit Thermoplast Matrix können die Produktionsabfälle direkt mit Neuware vermischt wieder dem Prozess zugeführt werden (z.b. Spritzguss, LFT, GMT Halbzeugherstellung) oder zu hochwertigen Bauteilen recycelt werden Duroplast Matrices Produktionsabfälle aus der Verarbeitung von faserverstärkten Duroplasten werden typischerweise entsorgt, selten auch in speziellen Prozessen recycelt die Verarbeitung von faserverstärkten Kunststoffen mit Thermoplastmatrix führt typischerweise zu weniger Produktionsabfällen Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 103

102 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Einsatz von Recyclaten Thermoplast Matrices saubere Faserverbundbauteile mit Thermoplast Matrix lassen sich mit verschiedenen Verfahren zu neuen hochwertigen Bauteilen verarbeiten unter anderem ist ein Werkstoffrecycling durch aufschmelzen der Matrix, wie bei Metallen oder Glas, möglich Duroplast Matrices beim Recycling von Faserverbundwerkstoffen mit Duroplast Matrix muss zumindest die Matrix mit Abbauverfahren aufgelöst werden eher aufendige Recyclingprozesse Recyclate aus faserverstärkten Thermoplasten lassen sich einfacher zu hochwertigen Bauteilen verarbeiten Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 104

103 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Thermoplast Matrices Kriterien mechanische Eigenschaften kleben & lackieren Chemikalien, etc. Temperaturen Prozessfenster Halbzeuge Zykluszeiten Investitionen Produktionsabfälle Einsatz von Recyclaten Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 105 Duroplast Matrices

104 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Leichbaustrukturen gute Materialeigenschaften sind wichtig für Leichtbaustrukturen Faserverbundwerkstoffe mit Duroplast Matrix eignen sich gut für Einzelanfertigungen und kleine Serien: mögliche tiefe Investitionen führen zu akzeptablen Kosten typischerweise grosse Prozessfenster erleichtern das erreichen von guten Laminatqualitäten typischerweise tiefe Verarbeitungstemperaturen erlauben den Einsatz von günstigen Werkzeugen & Halbzeugen die typischerweise hohe Steifigkeit von Duroplast Matrices erlaubt eine optimale Ausnutzung der statisch mechanischen Fasereigenschaften zeigen typischerweise eine geringere Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften als Faserverbundwerkstoffe mit Thermoplast Matrix Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 106

105 8. Vergleich Thermoplaste - Duroplaste Leichbaustrukturen Faserverbundwerkstoffe mit Thermoplast Matrix eignen sich gut für grosse Serien: kurze Zykluszeiten erlauben effiziente Nutzung der Anlagen Abschreibung von hohen Investitionen über viele Bauteile Möglichkeiten zum direkten Recycling von Produktionsabfällen halten Materialkosten tief zeigen aufgrund der typischerweise zäheren Matrix Vorteile bei Impact gefährdeten Bauteilen lassen sich mehrfach aufschmelzen, d.h. in mehreren Schritten verformen und verschweissen lassen sich mit Werkstoffrecyclingprozessen einfacher als Faserverbundwerkstoffe mit Duroplast Matrix zu hochwertigen Bauteilen weiterverarbeiten Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 107

106 Faserverstärkte Kunststoffe - Thermoplaste vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Markus Zogg, Paolo Ermanni, 9. Dezember 2010, HS2010-K12, 108