Kunststoffe 10/2015 www.kunststoffe.de

Polyimide SCHAUMSTOFFE 187

Die gewnschte Form leicht gemacht

Komplexe Sandwich-Bauteile fr die Serie

Bislang steht keine wirtschaftliche Methode fr die Massenfertigung komplexer Composite-Bauteile zur Verf-

gung. Mit einem neuen, in der Form geschumten, werkzeugfallenden Sandwichschaumkern auf Basis von Poly-

methacrylimid knnen mehr als 50 000 komplexe 3D-Sandwichbauteile pro Jahr effizient hergestellt werden.

Bei Sport-, Premium- und elektrisch an-getriebenen Fahrzeugen, z. B. Alfa Ro-meo 4C oder BMW i3 und i8, wird hin-sichtlich Leichtbau zunehmend die hohe Steifigkeit und Funktionsintegration von faserverstrkten Kunststoffen genutzt. Typische Leichtbauteile im Automobilbau finden sich aktuell in der Karosserie bzw. im Monocoque oder in den Streben im Fahrwerksbereich.

Wenn es um die Steifigkeit von Bau-teilen geht, sind Sandwichstrukturen un-geschlagen: Sie bestehen aus dnnen Deckschichten, z. B. aus carbonfaserver-strkten Kunststoffen (CFK), kombiniert mit einem leichten, mechanisch aber hochbelastbaren Kern, z. B. aus Kunst-stoffschaum. Mit zunehmender Dicke des Schaums nimmt die Steifigkeit des Bau-teils berproportional zu, durch die gerin-

ge Dichte des Schaums bleibt das Ge-wicht jedoch minimal.

Doch schon bevor das Bauteil in Ge-brauch geht, hat der Sandwichkern we-sentliche Aufgaben zu erfllen. Wh-rend des Lay-ups und Aushrtens gibt der Kern den eher biegeschlaffen Fa-sern oder Prepregs der Decklagen die Form und hlt sie in Position, damit sie gezielt uere Krfte aufnehmen kn-nen. Im Aushrtevorgang fungiert der Kern fr die Decklagen als Gegenkraft zum ueren Druck von Werkzeug, Auto klav, Presse oder einfach Vakuum, je nachdem, welches Verfahren ge-whlt wird. Es ist offensichtlich, dass der Kern diesen Drcken, zumeist gepaart mit Temperaturen zwischen 80 und 180 C, nicht oder nur minimal nachge-ben darf und deshalb sowohl eine hohe

thermische als auch mechanische Be-stndigkeit und ggf. Kriechfestigkeit aufweisen muss.

Optimal ist whrend des Aushrtens eine flchige Untersttzung der Fasern, sodass sie nicht durchhngen. Schaum-kerne bieten eine solche Untersttzung, whrend die Hohlrume konkurrierender Wabensysteme hier Schwachstellen dar-stellen. Beim Durchhngen der Fasern kann deren Festigkeit nicht voll ausge-nutzt werden, sodass durch zustzliche Faserlagen das Gewicht erhht wird. Zwar ist die spezifische Dichte von Schumen etwas hher als die von Waben, jedoch relativiert sich fr viele Bauteile deren Ge-wichtsvorteil, da sie an auslaufenden En-den oder um Inserts (z. B. fr Krafteinlei-tungspunkte) mit Fllmasse stabilisiert werden mssen.

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Domstrebe aus einem

Sandwichbauteil: Zu

sehen sind der in-situ

geschumte Kern aus

PMI-Schaumstoff, der

beflochtene Kern und das

fertige Bauteil (Bilder: Evonik)

Carl Hanser Verlag, Mnchen. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden.

Carl Hanser Verlag, Mnchen Kunststoffe 10/2015

SCHAUMSTOFFE Polyimide

granuliert, vorgeschumt und in einem bauteilbezogenen Werkzeug unter Wr-me zu fuhr final aufgeschumt. Die so her-gestellten Schaumkrper sind werkzeug-fallend und knnen sofort weiterverarbei-tet werden. Nachbehandlungen wie Ent-gasen, Verspachteln von Lchern oder Be-flammen bzw. Sandstrahlen zum Entfernen von Trennmitteln sind nicht notwendig. Bei der Herstellung aus dem Granulat fllt kein prozessbedingter Materialabfall an, die Ma-terialausnutzung betrgt nahezu 100 %. Im Aluminiumwerkzeug positionierte Inserts wie Verbindungselemente knnen um-schumt werden, sodass sie spter passge-nau im Schaumkrper fixiert sind. Die Oberflche dieser geschlossenzelligen Schaumkerne zeigt eine optimale Abbild-genauigkeit. Eine leichte Narbenbildung an den Partikelgrenzen sorgt fr eine gute Anhaftung der Deckschichten (Bild 1).

Nasspressverfahren und RTM mglich

Die so hergestellten Schaumkerne eig-nen sich zur weiteren Bearbeitung so-wohl im Nasspressverfahren als auch im HP-RTM. In Abhngigkeit der eingestell-ten Dichte sind Temperaturen von bis zu 140 C oder Drcke von bis zu 20 bar und mehr abbildbar. Dadurch lassen sich kur-ze Zykluszeiten realisieren, die fr eine Produktion von hheren Stckzahlen notwendig sind. Als Matrix fr die Deck-schichten sind alle gngigen Harztypen wie Polyester- oder Epoxydharze, aber auch thermoplastische Kunststoffe wie Polypropylen oder Polyamid geeignet. Je nach Anforderung und Kundenwunsch kann die Dichte und damit die mechani-schen Eigenschaften von Rohacell Triple F im Bereich von 75 bis 200 kg/m einge-stellt werden (Bild 2). Im Vergleich zu Inte-gralschumen, die relativ hohe Festigkei-

Komplexe Geometrie direkt aus der Form

Ein Problem bei den Kernschumen stell-te bisher das Herausarbeiten der ge-wnschten Geometrie dar. Die hochwer-tigeren Schume auf Basis von Poly -meth acrylimid (PMI) oder Polyvinylchlo-rid (PVC) werden als Plattenhalbzeuge hergestellt, aus denen die Endgeometrie durch spanende Bearbeitung und ther-misches Verformen entsteht. Dies ist sehr zeitaufwendig sowie teuer und lsst mit-unter einen Groteil des Ausgangsmateri-als im wahrsten Sinn des Wortes in Staub aufgehen. Dieses Verfahren rechnet sich somit vor allem fr kleinere Stckzahlen.

Mit Polyurethan (PUR) steht ein Schaum zur Verfgung, der in einer che-mischen Reaktion direkt im Werkzeug aufgeschumt werden kann und somit die finale Geometrie besitzt. Diese Tech-nik spart demnach weitere Formge-bungsschritte; die Ausgangsstoffe sind preisgnstig. Allerdings sind die thermi-schen und mechanischen Eigenschaften dieses Integralschaums fr moderne Pro-duktionsverfahren wie Hochdruck-RTM oder Nasspressen, die zur Produktion h-herer Stckzahlen favorisiert werden, nicht optimal. Auch sind Herstellung und Handhabung von PUR-Kernen aufgrund der mglichen Sensibilisierung durch enthaltenes Isocyanat arbeitshygienisch kritisch [1]. Aufgrund der zur Entformung enthaltenen Trennmittel muss die Ober-flche der Kerne vor der Weiterverarbei-tung mechanisch, z. B. durch Sandstrah-len, bearbeitet werden.

Mit dem Partikelschaum Rohacell Trip-le F auf Basis von PMI bietet die Evonik Resource Efficiency GmbH, Essen, eine Alternative. Fr dieses Produkt wird das Ausgangsmaterial des bekannten Rohacell

Bild 1. Das Demons-

trationsbauteil

enthlt exemplarisch

zwei verschiedene

Einstze und stellt

mgliche Geometri-

en mit definierter

Oberflchenstruktur

dar, die sich mit dem

neu entwickelten

PMI-Schaum erzie-

len lassen

HEINRICH DREHERGmbH & Co.KG Maschinenbau Telefon: +49 (0) 2 41 / 5 15 63 -0E-Mail:info@dreher-aachen.de www.dreher-aachen.de Carl Hanser Verlag, Mnchen. Der Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet und muss beim Verlag gesondert beauftragt werden.

Polyimide SCHAUMSTOFFE 189

ten an der Schaumoberflche aufweisen, deren Dichten und mechanische Eigen-schaften zum Zentrum hin jedoch gerin-ger werden, zeigt der neue Partikel-schaum auf PMI-Basis eine hohe Homo-genitt in der Dichte ber die gesamte Bauteildicke und somit auch gleichblei-bende mechanische Eigenschaften. Eventuelle Fehlstellen an der Oberflche fhren folglich bei der Injektion von Harz unter hheren Drcken nicht zu einem Kollabieren des Schaumkerns.

Anwendungen fr Schaumkerne aus Rohacell Triple F sind insbesondere fr Stckzahlen von etwa 1000 bis 50 000 pro Jahr zu sehen. Das knnen im Automobil-sektor z. B. Sportwagen und Premiumfahr-zeuge sein, wo Anbau-, Karosserie- oder Fahrwerksteile in Verbindung mit CFK ein-gesetzt werden (Titelbild). Aber auch im

Flug zeugbau ist der Einsatz denkbar, wo zunehmend Gleichteile in grerer Stck-zahl kostengnstig bentigt werden. Nicht zuletzt sind auch im Sportartikelmarkt leichte Sandwichkerne fr konsequenten Leichtbau immer interessanter.

Kompetenzen vereint

Hergestellt werden die Rohacell-Triple F- Schaumkerne von der LiteCon GmbH, Hnigsberg/sterreich, einem 2014 ge-grndeten Joint Venture zwischen dem Spezialchemie-Hersteller Evonik Indus-tries und dem mit CFK-Produkten fr Au-tomobil-, Luftfahrt- und Medizintechnik vertrauten Unternehmen Secar Techno-logie GmbH, Hnigsberg/sterreich. In einem modular aufgebauten Fertigungs-zentrum werden bei LiteCon bereits die

ersten automobilen Serienteile herge-stellt. Dort gibt man sich optimistisch, dass mit den Partikelschumen zuknftig weitere Prozessschritte integriert werden knnen, wie etwa Hinterschumen von thermoplastischen Deckschichten (sog. Organoblechen), Aufbringen von Coa-tings auf die Kernoberflche, um diese zu veredeln oder besondere Eigenschaften zu erzielen. Aber auch eine kontinuierli-che Herstellung von Profilen oder Platten wird in Betracht gezogen. W

Dichte

6

5

4

3

2

1

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MPa

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Poly

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von

3 %

50 100 150 200 kg/m3 250

Bild 2. Druckfestig-

keit des PMI-

Schaums Rohacell

Triple F bei verschie-

denen Dichten

Die AutorenAxel Zajonz ist bei der Evonik Resource Efficiency GmbH, Essen, als Projektmana-ger fr Rohacell im Bereich Automobil ttig.Werner Stger ist bei der LiteCon GmbH, Hnigsberg/sterreich, im Bereich Ad-vanced Composite Products als Sales & Marketing Manager ttig.

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