Do it right, do it light! Ultracom thermoplastische Verbundwerkstoffe mit System Ultracom im Internet: www.plasticsportal.eu/ultracom
Do it right, do it light! Thermoplastische Verbundwerkstoffe mit System: Ultracom Ultracom thermoplastische Verbundwerkstoffe mit System 6 Halbzeuge und Spritzgießmassen abgestimmte Kombination 8 Sortiment: Halbzeuge und Umspritzmasse 12 Umfassender Engineering-Service 14 Composite-Auslegung mit Simulationswerkzeug Ultrasim 16 Verarbeitungs-Know-how durch großserienprozessfähige Fertigungsanlage 18 Material-, Verfahrens- und Bauteilentwickung 20 Bauteilprüfung jetzt mit Computer-Tomographie 21 Ultracom für Bauteile in Karosserie und Chassis 22
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Die BASF ergänzt ihre Aktivitäten bei den technischen Kunststoffen um einen neuen Ansatz: Er heißt Ultracom und umfasst ein System aus drei Komponenten: Endlosfaserverstärkte Halbzeuge neues Sortiment Basis des Ultracom -Systems sind folgende Halbzeuge: Ultralaminate : Laminate aus Glasfasergeweben, imprägniert mit Ultramid, dem Polyamid (PA) der BASF Ultratape : unidirektionale verstärkte Glasoder Carbonfaser-Tapes, imprägniert mit Ultramid Umspritzmaterialien maßgeschneiderte Kunststoffe Ein wesentlicher Bestandteil des Ultracom - Systems sind die individuell auf diese Halbzeuge abgestimmten Umspritzmaterialien aus dem Ultramid -Sortiment. Mit diesen Compounds lassen sich im Spritzguss komplexe Bauteile fertigen, die an genau defi nierten Stellen über eine sehr hohe mechanische Verstärkung durch Endlosfasern verfügen und durch das Umspritzen spezifisch funktionalisiert werden können. Engineering essentieller Bestandteil Das Ultracom -Engineering ist von großer Bedeu tung für den Entwickler von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen: Es umfasst ein umfangreiches Service-Angebot der BASF-Anwendungsentwicklung. Dazu gehören die Unterstützung bei der Auslegung am Computer mit dem universellen Simulationsinstrument Ultrasim der BASF das Know-how in der Werkstoffverarbeitung und der Bauteilherstellung, u.a. mithilfe einer serienfertigungsnahen Spritzgieß-Pilotanlage mit automatisierter Laminat-Zuführung und eines ausgefeilten Testbauteils die zahlreichen Möglichkeiten des Bauteil-Prüf - labors der BASF, das auf Faserverbundwerkstoffe spezialisiert ist. 5
Ultracom thermoplastische Verbundwerkstoffe mit System Ultracom ist ein ganzheitliches System, das neben den Halbzeugen und den Spritzgießmassen auch die Entwicklung von der Konzeptphase über das Design, die Simulation und die Verarbeitung bis hin zur Bauteilprüfung beinhaltet, um eine effiziente Serienproduktion beim Kunden zu ermöglichen (Abb. 1). Mit Hilfe von Ultracom können automobile Strukturbauteile kosten- und gewichtsoptimiert ausgelegt werden. 6
Ultracom Halbzeug (Composites) Umspritz-Material (Compounds) Engineering-Service Ultralaminate Ultratape Ultramid COM Ultrasim + Fertigung + Prüfung Abb. 1: Ultracom - das Produkt- und Servicesystem für endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe 7
Halbzeuge und Spritzgießmassen abgestimmte Kombination Voraussetzung auf der Materialseite für kosten- und gewichtsoptimierte Bauteile ist ein abgestimmtes Materialsystem: Tape bzw. Laminat und die Umspritzmasse müssen im Bauteil eine optimale Kombination ergeben und zueinander passen. Umspritzmaterialien müssen die klassischen Anforderungen des Spritzgusses erfüllen und dabei gleichzeitig eine optimale Anbindung von Rippen und Befestigungselementen an die Laminate oder Tapes bewirken. 8
Thermoplastisches Laminat Mit Thermoplasten imprägnierte Gewebe Besser für großflächige, quasiisotrop belastete Bauteile Thermoplastische, unidirektionale (UD) Tapes Schichtaufbau aus vollimprägnierten Faserbändern Lokale Verstärkung von spritzgegossenen Bauteilen entlang definierter Lastpfade Umspritzmasse auf Basis von Polyamid Abb. 2: Fasern, Laminat, Tape und Umspritzmasse Ultracom als abgestimmtes Materialsystem 9
Während thermoplastische Laminate mit Thermoplasten imprägnierte Gewebe sind, die nur noch zugeschnitten werden müssen und dann direkt ein gesetzt werden können, müssen die unidirektional verstärkten Tapes zunächst zu Schichtaufbauten zusammengefügt und konsolidiert werden. Die beiden endlosfaserverstärkten Halbzeuge erfüllen in Bauteilen unterschiedliche Funktionen: Thermoplastische Laminate eignen sich besser für großflächige, quasiisotrop belastete Hybrid bauteile, Tape-Gelege eher bei lokaler Verstärkung von spritzgegossenen kurzglasfaserverstärkten Bauteilen. Abbildung 3 zeigt eine typische Anwendung für eine Rückenlehne. Abb. 3: Schematischer Aufbau einer Rückenlehne: Die unidirektional belasteten, blau gekennzeichneten Kantenbereiche erhalten eine Tape-Verstärkung, während flächig belastete Zonen im Lehnen bereich (rot) durch Laminate sinnvoll verstärkt werden. 10
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Sortiment: Halbzeuge und Umspritzmasse Das verfügbare Sortiment für Halbzeuge besteht aus Ultralaminate mit Glasfaserverstärkung (PA 6-basiert) sowie Ultratape mit Glas- und Kohlenstofffaserverstärkung für unidirektional belastete Verstärkungsstrukturen. Für Anwendungen mit großen Anforderungen an die Steifigkeit eignet sich besonders Ultramid B3WG12 COM mit 60% Glasfaserverstärkung als Umspritzmasse. Bei besonderen Ansprüchen an die Schlagzähigkeit des Bauteils kommt ein auf hohe Energieabsorption optimiertes Ultramid B3ZG7 COM zum Einsatz. Mögliche Materialkombinationen zeigt Tabelle 1. Einen Überblick über das aktuelle Sortiment an Halb zeugen und Umspritz-Kunststoffen gibt Tabelle 2. Materialkombinationen Compound und/oder und/oder Ultralaminate Ultratape GF Ultratape CF Bauteile mit hoher Steifigkeit Anforderungen an Schlagzähigkeit Ultramid B3WG12 COM Ultramid B3ZG7 COM Ultralaminate B3WG13 WR01 Ultratape B3WG12 UD01 Ultratape B3WC12 UD02 Tabelle 1: Materialkombinationen von Halbzeug und Compound 12
Ultralaminate B3WG13 WR01 Ultratape B3WG12 UD01 Ultratape B3WC12 UD02 Ultramid B3WG12 COM Ultramid B3ZG7 COM Zugversuch (DIN EN ISO 527-4) Gewebe Köper 2/2 ausgeglichen, 600g/m² GF UD CF UD PA6 GF60 PA6 GF35 schlagzäh modifiziert E-Modul [GPa] 22 33 102 20 9,3 Zugfestigkeit max. [MPa] 450 770 1.800 250 145 Tabelle 2: Ultracom -Sortiment Halbzeuge und Compounds 13
Umfassender Engineering-Service Ultrasim, Verarbeitungs- Know-how und Prüfexpertise Bauteilauslegung mit Ultrasim Abb. 4: Ultracom Engineering-Sevice: Ultrasim, Fertigung, Bauteilprüfung 14
Das optimale Zusammenspiel von Anwendungsentwicklung mit Simulation, Verarbeitungstechnik und Prüflabor unter einem Dach gestattet die Unter stützung des Kunden über die gesamte Prozess kette: von der Materialcharakterisierung bis hin zur Serien einführung von Bauteilen. Auf diese Weise lassen sich gemeinsam und hocheffizient Bauteile entwickeln. Engineering-Service-Paket der BASF Bauteilherstellung in der neuen Fertigungszelle Bauteilprüfung 15
Composite- Auslegung mit Simulationswerkzeug Ultrasim Mit dem Simulationswerkzeug Ultrasim kann das Verhalten von Bauteilen aus thermoplastischen Laminaten mit Glasfasergewebe oder Tapes und Polyamid-Umspritzmasse rechnerisch durch die Inte grative Simulation zuverlässig vorhergesagt werden. Mit der Erweiterung der Integrativen Simulation um neue Materialmodelle und den zugrunde liegenden experimentellen Erkenntnissen werden thermoplastische Verbundbauteile auf Basis von Laminat oder Tape für die Großserie zugänglich (Abb. 5). Die Integrative Simulation der BASF bindet den Herstellungsprozess des Kunststoffbauteils in die Berechnung des mechanischen Bauteilverhaltens mit ein. Aufbauend auf einer rheologischen FE- Simulation des Spritzgießprozesses und einer 3D- Drapiersimulation für das endlosfaserverstärkte Laminat werden die anisotropen Faserorientierungen an jedem Ort des Bauteils auf die entsprechenden Bereiche im mechanischen Bauteil übertragen. Für die mit Endlosfasern verstärkten Bereiche wird dazu eine neue, erweiterte numerische Materialbeschreibung in Ultrasim verwendet, die in der mechanischen Analyse genau die Eigenschaften berücksichtigt, die für die verstärkten, thermoplastischen Materialien typisch sind: Anisotropie Nichtlinearität Dehnratenabhängigkeit Zug-Druck-Asymmetrie Temperaturabhängigkeit unterschiedliche Versagensarten und Kriterien Ultrasim unterstützt hierbei die wichtigsten, in der Bauteilentwicklung eingesetzten Finite-Elemente- Programme. Genauso wichtig wie die exakte Beschreibung des Materialverhaltens an jedem Ort ist das Design des Bauteils, d.h. die richtige Auswahl und Platzierung der Verstärkungsfasern und des Halbzeugs. 16
> Neue, erweiterte numerische Materialbeschreibung > Richtige Auswahl / Platzierung der Fasern und des Halbzeugs Abb. 5: Auslegung mit Ultrasim Füllsimulation (links), Drapiersimulation (rechts) 17
Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz des Verfahrens in der Großserie erfüllt. Das Laminat wird außerhalb des Werkzeuges aufgeheizt, was einen sicheren Transport und eine saubere Positionierung im Werkzeug der aufgeheizten, nicht biegestabilen Laminat-Einleger erfordert. Für die Laminat- Positionierung werden in der Zelle drei Spannrahmen gleichzeitig genutzt. Verarbeitungs- Know-how durch großserienprozessfähige Fertigungsanlage Die BASF betreibt in ihrem Thermoplast-Verarbeitungstechnikum in Ludwigshafen eine großserienprozessfähige Fertigungsanlage, mit der multifunktionale Composite-Testkörper nach dem Inmold-Forming- Overmolding-Prozess hergestellt werden können (Abb. 6). Das Umformen des Laminats (Drapieren oder auch Inmold-Forming) findet dabei im Werkzeug statt, anschließend erfolgt das Umspritzen (Overmolding). Der Prozessablauf der automatisierten Fertigungszelle ist stark parallelisiert, so dass die Zykluszeit mit rund einer Minute vergleichbar mit Zeiten beim Standard-Spritzgießen ist. 18
Aufheizofen Bestückter Spannrahmen Sechsachs-Roboter Spritzgießmaschine Magazin für Laminate Automatische Bestückung des Spannrahmens Abb. 6: BASF-Fertigungszelle für Inmold Forming und Overmolding 19
Material-, Verfahrensund Bauteilentwickung Verrippter U-Profil-Träger Rippenfeld für Crashuntersuchungen Unterschiedliche Rippen-Wanddicken-Übergänge von Laminat und Umspritzmaterial Durch Stanzen/Aufweiten angeformte Bohrungen als Montageelemente Umspritzte Ränder Vernäh-Elemente : Stellen, an denen das Laminat durchspritzt ist Mit dem Ultracom Demonstratorbauteil, einem neu entwickelten BASF-Testbauteil, können Design- Möglichkeiten sowie die charakteristischen Merkmale und mög lichen Probleme in der Fertigung aufgezeigt werden. An diesem ca. 40 cm x 40 cm großen Testkörper mit rund 20 einzelnen Funktionen lassen sich die Besonderheiten der realen Composite- Herstellung nachstellen, z. B. lange Fließwege zum Füllen des Randes (Abb. 7). Die Testbauteile werden werk zeugfallend produziert, das heißt, sie sind vollständig umspritzt, und es ist keine Nachbearbeitung nötig. Abb. 7: Das Ultracom Demonstratorbauteil mit 20 Einzelfunktionen 20
Bauteilprüfung jetzt mit Computer- Tomographie Abb. 8: Links ein Probekörper zur Charakterisierung des Verbunds von Laminat und Umspritzmasse, rechts die zugehörige CT-Aufnahme, in der Faserverlauf und Kontaktfläche gut zu erkennen sind. Für die Validierung der Bauteileigenschaften sowie die experimentelle Untersuchung von Probekörpern, Mustern und neuen Composite-Bauteilen steht ein breites Spektrum an Prüfeinrichtungen einschließlich der BASF-Experten zur Verfügung. Neben den standardisierten Prüfmöglichkeiten wie Zug-, Druck-, Biege- oder Schubprüfung werden auch an unterschiedliche Fragen angepasste Prüfmethoden eingesetzt. Dazu gehören etwa die Untersuchung von spezifischen Verbundeigenschaften wie Risszähigkeit mit Hilfe einer adaptierten Vorrichtung für thermoplastische Verbundwerkstoffe, die Er mittlung der dehnratenabhängigen mechanischen Eigenschaften sowie die Evaluierung von mikromechanischen Phänomenen, z. B. mit Hilfe von Schallemissionsprüfungen zur Analyse der ersten Materialschädigung. In der Regel können alle Prüfungen unter definierten Klima bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Medien lagerung etc.) durchgeführt werden. Außerdem besitzt die BASF die Expertise auf dem Gebiet zerstörungsfreier Prüfmethoden. Hierzu gehören z. B. Ultraschalltechnik und Computer- Tomographie (CT): Die CT ermöglicht wie keine andere Technologie einen detaillierten Einblick in die inneren Strukturen und Eigenschaften von Materialproben, Bauteilen und Verbindungen. 21
Ultracom für Bauteile in Karosserie und Chassis Mit endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbund bauteilen läßt sich die bestmögliche Kombination aus Gewichts ersparnis, Kosten- Strukturträger Türmodul Dachquerträger Stoßfängerträger hinten effizienz und Leistungsfähigkeit für Karosserie und Chassis erreichen. Strukturelle Heckmulde Strukturelle Innenschale Heckdeckel/ -klappe I-Tafel Querträger Strukturelle Innenschale Motorhaube A-, B-, C- Säulenverstärkung Strukturelles Batteriegehäuse Sitzstrukturen Strukturelles Bodenmodul Stoßfängerträger vorne Strukturelles Frontend Spritzwand (Firewall) 22
www.4magabriel.de Ausgewählte Produktliteratur: Ultramid - Hauptbroschüre Ultramid - Sortimentsübersicht Ultramid Endure - Polyamid-Spezialität für das Spritzgießen und Saugblasformen Ultramid Structure - Von führenden Testern empfohlen Ultramid, Ultradur, Ultraform - Verhalten gegenüber Chemikalien Weitere Informationen zu Ultracom : www.ultracom.basf.com Zur Beachtung Die Angaben in dieser Druckschrift basieren auf unseren derzeitigen Kenntnissen und Erfahrungen. Sie befreien den Verarbeiter wegen der Fülle möglicher Einflüsse bei Verarbeitung und Anwendung unseres Produktes nicht von eigenen Prüfungen und Versuchen. Eine Garantie bestimmter Eigenschaften oder die Eignung des Produktes für einen konkreten Einsatzzweck kann aus unseren Angaben nicht abgeleitet werden. Alle hierin vorliegenden Beschreibungen, Zeichnungen, Fotografien, Daten, Verhältnisse, Gewichte u. Ä. können sich ohne Vorankündigung ändern und stellen nicht die vertraglich vereinbarte Beschaffenheit des Produktes dar. Etwaige Schutzrechte sowie bestehende Gesetze und Bestimmungen sind vom Empfänger unseres Produktes in eigener Verantwortung zu beachten. ( September 2013 ) = eingetragene Marke der BASF SE Besuchen Sie auch unsere Internetseiten: www.plasticsportal.com ( Welt ) www.plasticsportal.eu ( Europa ) Bei technischen Fragen zu den Produkten wenden Sie sich bitte an den Ultra-Infopoint: Online-Info: KTEC 1301 BD Die einzelnen Produktauftritte finden Sie unter: www.plasticsportal.eu /Produktname z. B. www.plasticsportal.eu /ultracom Bitte benutzen Sie Ihr Smartphone mit QR-Code Reader. Broschürenanforderung: PM / K, F 204 Fax: + 49 621 60-49497