Thermoplastische Composites für die Großserie

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1 Thermoplastische Composites für die Großserie 2. Technologietag hybrider Leichtbau, 5. Mai

2 Gliederung Einleitung Faserkunststoffverbunde mit thermoplastischer Matrix Neue Ansätze Zerstörungsfreie Prüfung zur Qualitätssicherung in der Großserie 2

3 Einleitung Großserien-Leichtbau fordert neue Konzepte Quelle: Porsche Quelle: BMW 3

4 Einleitung Massespezifische Festigkeit und Steifigkeit Spezifische Zugfestigkeit in GPa / g cm 3 2,0 1,5 1,0 0,5 0 EP/GF TP/GF TP/CF Stahl Aluminium GMT hochfest EP/CF hochsteif Spezifischer E-Modul in GPa / g cm 3 EP/GF: Epoxidharz mit Glasfasern EP/CF: Epoxidharz mit Kohlenstofffasern TP/GF: Thermoplaste mit Glasfasern TP/CF: Thermoplaste mit Kohlenstofffasern GMT: Glasmattenverstärkte Thermoplaste Fasern in Hauptlastrichtung Fasern meist nicht in Hauptlastrichtung in Anlehnung an: 23. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium 4

5 Einleitung Thermoplastmatrix Vorteile Nachträgliche Umformung möglich (nach vorheriger lokaler Erwärmung) Schweißbar Zykluszeit (Abkühlen) geringer als Zeit für chemische Reaktion Vollständiges Werkstoffrecycling möglich Schlagzähigkeit thermoplastischer Matrizes deutlich höher als die von Duromeren Nachteile Fasertränkung eingeschränkt (Schmelzeviskosität zu hoch) Höhere Kriechneigung als Duromere Geringerer E-Modul (kompensierbar durch höheres Flächenträgheitsmoment) 5

6 FKV mit thermoplastischer Matrix Metall-Thermoplast-Hybridbauteile Metallblech: kostengünstige Festigkeit Kunststoffspritzgießen: kostengünstige Formgebungsvielfalt, integrierte Montage Herausforderungen: Haftvermittler erforderlich Metall hat relativ hohe Dichte Verzugsgefahr, insbesondere beim Temperaturwechsel Hybrid-Frontend für Ford Focus - Dynamit Nobel Kunststoff GmbH 6

7 FKV mit thermoplastischer Matrix Verarbeitung von Thermoplast-Organoblech Fotos: KraussMaffei 7

8 FKV mit thermoplastischer Matrix Organoblech-Thermoplast-Hybridbauteile Organoblech: hohe Festigkeit bei geringer Dichte Kunststoffspritzgießen: kostengünstige Formgebungsvielfalt, integrierte Montage Vernachlässigbare Eigenspannungen durch Temperaturwechsel Herausforderungen Organoblech muss umgeformt werden Gefahr des Faserbruchs Faserausrichtung meist ungünstig Organoblechdicke begrenzt Hybrid-Frontend für Audi A 8 Lanxess AG 8

9 Neue Ansätze In-Situ-Spritzgießen ε-caprolactam ab 80 C sehr niedrigviskos gute Fasertränkung Anionische Polymerisation von ε-caprolactam zu PA6 Unter Zugabe von Aktivator und Katalysator schnelle, aber steuerbare Reaktion Reaktionstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur von PA6 Quelle: IKV Aachen 9

10 Neue Ansätze Hinterspritzen von vorkonsolidierten Tapes Quelle: Neue Materialien Bayreuth 10

11 Neue Ansätze In-Situ-Pultrusion von ε-caprolactam zu Endlosfaser-PA-Verbunden 2 Komponenten Mischer Werkzeug Säge Abzug Endlosfasern Reaktion muss bis Werkzeugende abgeschlossen sein (Restmonomergehalt 0) Feuchteeintrag unterbinden Fasern gut durchtränken und gleichmäßig im Querschnitt verteilen 11

12 Neue Ansätze Faserschlichte Fasern werden durch Schlichte verklebt Bündelung Schlichte notwendig für Verarbeitbarkeit Schlichte darf die Reaktion nicht beeinträchtigen Fasersortierbox der In-Situ-Pultrusionsanlage 12

13 Neue Ansätze Pultrusionswerkzeug Endlos-Fasern Schutzgas Werkzeug 13

14 Neue Ansätze Bisherige hochsteife Geometrien 14

15 Neue Ansätze Gute Faser-Matrix-Haftung Glasfaser mit PA6 Glasfasern mit PA6 20 μm 15

16 Neue Ansätze Vergleich der Faser-Matrix-Haftung Extrusions-Pultrusion Schlechte Haftung In-Situ Pultrusion Gute Haftung Bildquelle: Technoform Kunststoffprofile GmbH 16

17 ZfP zur Qualitätssicherung in der Großserie Rissstopperprinzip + Luftgekoppelter Ultraschall Luftultraschall- Prüfköpfe Anriss Rissstopper Bachelorarbeit Stefan Gröninger, IKT,

18 ZfP zur Qualitätssicherung in der Großserie Ergebnisse Schwingspiele y in mm x in mm Bachelorarbeit Stefan Gröninger, IKT,

19 Thermoplastische Composites für die Großserie 2. Technologietag hybrider Leichtbau, 5. Mai