Oben: Organoblech aus Faserhalbzeug mit Verstärkungsfasern. Unten: In-situ-Erhitzung des Faserhalbzeugs mit integrierten Metallfasern (rot) in Kett- und/oder Schussrichtung.
Fraunhofer IWU
Mit einer neuen Technologie für die Thermoumformung von dreidimensionalen Faserverbundbauteilen können diese sogenannten Organobleche zukünftig wesentlich energieeffizienter und schneller hergestellt werden.
Faserverbundwerkstoffe wie GFK verfügen über herausragende Materialeigenschaften: Geringe Dichte und hohe Festigkeit sind mit guten Korrosionseigenschaften und großer Designfreiheit bei Konstruktion und Verarbeitung verbunden – ideale Voraussetzungen für ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere um Leichtbaupotenziale zu erschließen. Durch gegenseitige Wechselwirkungen können funktionale Vorteile oder erwünschte Materialeigenschaften in einem Werkstoff kombiniert werden. Für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen benötigt man im Vergleich zu Metallen allerdings vergleichsweise viel Energie und Zeit.
Die Verbundmaterialien setzen sich aus einer bettenden Matrix, einem Polymerwerkstoff, sowie verstärkenden Fasern zusammen. Bisher kam als Matrix vornehmlich Duroplast zum Einsatz, dessen Verarbeitung ist allerdings sehr energieintensiv, das Material schlecht recyclingfähig und die Prozessschritte nur begrenzt automatisierbar. Daher richtete sich der Fokus zuletzt vermehrt auf Thermoplast, das gut wiederverwertbar, nahezu unbegrenzt lagerfähig und in kürzeren Zykluszeiten verarbeitbar ist. Die hohe Schmelzviskosität ermöglicht allerdings keine Verarbeitung mit bereits bewährten Injektionsverfahren, wie z. B. dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding).
Halbzeuge für die Massenfertigung
Daher werden verstärkt flächige, vollständig imprägnierte und konsolidierte, endlosfaserverstärkte Faser-Matrix-Halbzeuge, sogenannte Organobleche, verwendet. Der Vorteil: Diese können mit etablierten Massenproduktionssystemen aus der Metallblechumformung verarbeitet werden. Typische Anwendungsgebiete sind energieabsorbierende, strukturelle oder sicherheitsrelevante Bauteile im Automobilbau, in der Luftfahrt, aber auch im Hochleistungssport und der Sicherheitstechnik. Der hohe Energiebedarf für die Erwärmung sowie der aufwendige Handlingvorgang standen einem großserientauglichen Einsatz bisher entgegen.
Metallfasern ermöglichen elektrische Aufheizung
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Am Fraunhofer IWU wurde im Rahmen eines vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und des Freistaates Sachsen geförderten Projekts gemeinsam mit der WESOM Textil GmbH eine neue Technologie zur Thermoumformung von Organoblechen entwickelt, mit der die Prozesskette deutlich verkürzt und der Gesamtenergiebedarf signifikant reduziert werden können. Konventionell werden Organobleche zunächst aufgeheizt, dann zur Umformstation transportiert, anschließend umgeformt und nach einer Abkühlungszeit entformt. Die Prozessoptimierung des Forschungsprojekts setzt an der notwendigen Erhitzung der Organobleche und dem aufwendigen Handlingvorgang des dann instabilen Halbzeugs an. Mithilfe von in den Verbundwerkstoff eingearbeiteten elektrisch leitfähigen Metallfasern kann der Aufheiz- und Umformvorgang energetisch effizienter, in einem Prozessschritt und in einer Produktionsanlage umgesetzt werden, der Zwischentransport entfällt komplett. „Das Organoblech wird vor dem Umformprozess bereits in der Presse einer elektrischen Spannung ausgesetzt“, erklärt Danilo Mattheß, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWU. „Aufgrund von Widerstandsverlusten lässt sich so die Erwärmung des Materials einleiten und steuern.“
Kürzere Taktzeiten, geringerer Energiebedarf
Gegenüber konventionellen Erwärmungsverfahren mit IR-Strahlern, Heißluftöfen und Kontaktheizungen kann der Energiebedarf deutlich gesenkt werden. Durch die neue Technologie entfällt der schwierige Handlingvorgang zwischen Aufheiz- und Umformstation. Überhitzungen des Organoblechs können vermieden werden. „Die kürzeren Taktzeiten, der geringere Energiebedarf und die gezielte Steuerbarkeit der Wärmeverteilung sind entscheidende Vorteile gegenüber der konventionellen Herstellung, die dem Thermoumformverfahren von dreidimensionalen Faserverbundbauteilen den Durchbruch verschaffen können“, führt Mattheß an.