Der mit Fasern umflochtene Sandwichkern wird mit Harz imprägniert und dann unter Temperatureinwirkung in die gewünschte Form gepresst. Derzeit können so 30 Sandwichprofilbauteile pro Stunde vollautomatisch gefertigt werden.

Takt für große Stückzahlen

Automobiler Leichtbau

Mit einem neuartigen Prozess von Evonik, der Pultrusions- und Pressverfahren kombiniert, lassen sich Sandwichprofilbauteile kontinuierlich fertigen.

Große Stückzahlen zu vertretbaren Preisen – das ist bei der Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen derzeit meist noch ein Widerspruch. Wie es gehen kann, demonstriert Evonik in Kooperation mit Secar Technologie in einer Produktionsanlage, die in einem neuartigen Prozess Sandwichprofilbauteile aus Composites kontinuierlich fertigt.

Für die Herstellung komplexer Formbauteile aus Faserverbundwerkstoffen stehen verschiedene Technologien zur Verfügung, die eines gemeinsam haben: Wirtschaftlichkeit und erreichbare Bauteilkomplexität gehen nicht unbedingt Hand in Hand. Das beste Beispiel ist das Handlaminieren, das älteste Herstellungsverfahren von Composite-Bauteilen: Es ermöglicht zwar komplexe Geometrien, ist aber definitionsgemäß nicht automatisierbar und deshalb für eine Serienfertigung nicht wirtschaftlich.

75 % Hohe Wirtschaftlichkeit, hoher Automatisierungsgrad, hohe Bauteilkomplexität: Werden komplex geformte Profile aus Verbundwerkstoffen mit dem neuen Pulpress-Verfahren hergestellt, sinken die Kosten pro Bauteil um 30 bis 60 %, verglichen mit anderen Fertigungsverfahren. Im Vergleich zu Bauteilen aus Stahl lässt sich das Gewicht um 75 % reduzieren. Damit macht das neue Verfahren komplexe Formbauteile aus Faserverbundwerkstoffen serientauglich.

Einen höheren Automatisierungsgrad bietet das sogenannte Resin Transfer Moulding (RTM), das nicht zuletzt durch die Fertigung der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffkarosserie der BMW-Elektroautos i3 und i8 an Bekanntheit gewonnen hat. Die Zykluszeiten sind aktuell allerdings noch relativ lang, viel länger als die heute üblichen Taktzeiten einer Rohbauzelle in der großseriengewohnten Automobilindustrie. Eine Alternative ist das Pultrusions- oder Strangziehverfahren, zum Beispiel für die Fertigung von faserverstärkten Kunststoffprofilen. Lange Zeit war es mit diesem Verfahren jedoch nur möglich, gerade Profile herzustellen.

Vor diesem Hintergrund hat Evonik ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich auch Bauteile mit komplexen Geometrien aus Faserverbundwerkstoffen hochautomatisiert und kontinuierlich fertigen lassen. Entwicklungspartner war Secar Technologie aus der Nähe von Wien, ein Unternehmen, das sich auf die Fertigung von Bauteilen aus unterschiedlichen Faserverbundwerkstoffen spezialisiert hat:

30 komplexe Bauteile pro Stunde
Sebastian Bühler, Project Manager HP-Rohacell, zeigt ein 1,2 m langes, komplexes Sandwichprofilbauteil, hergestellt mit Pulpress. Foto: K-MAGAZIN
Sebastian Bühler, Project Manager HP-Rohacell, zeigt ein 1,2 m langes, komplexes Sandwichprofilbauteil, hergestellt mit Pulpress. Foto: K-MAGAZIN

Das Pulpress genannte Verfahren kombiniert Pultrusions- und Pressverfahren auf neuartige Weise. Materialseitiger Ausgangspunkt der Entwicklung war der geschlossenporige Hochleistungsstrukturschaum Rohacell von Evonik, der als Kern in Sandwichbauteilen zum Einsatz kommt. Der Schaumwerkstoff aus Polymethacrylimid (PMI) hat sich als leichtes und gleichzeitig steifes Material in Werkstoffverbünden bewährt, zum Beispiel im Automobilrennsport und in der Luftfahrt sowie im Sportartikelbereich, etwa in Eishockeyschlägern oder Skiern. Neben seinem geringen spezifischen Gewicht besitzt Rohacell eine hohe Druckbeständigkeit und ist thermisch umformbar. Seine Glastemperatur liegt bei 180 °C.

Diese Eigenschaften prädestinieren das Material für das Pulpress-Verfahren – die Entwicklung zeigt damit einen neuen Anwendungsbereich für Rohacell auf. Im Pulpress-Prozess dient der Strukturschaum als Kern, der mit Verstärkungsfasern umflochten wird. Im nächsten Schritt kommt das Harz für die Imprägnierung der Fasern hinzu. Das so vorbereitete Material gelangt dann in ein Pressensystem, in dem bei hohem Druck und hoher Temperatur ein 3D-Profil mit definierten Abmessungen aus dem Endlosmaterial entsteht. Auf der Produktionsanlage können derzeit Sandwichprofilbauteile von bis zu 1,20 Meter Länge kontinuierlich hergestellt werden.

Rohacell dient dabei zum einen als formgebender Kern, zum anderen lassen sich auch Inserts aus Metallen oder Polymeren einfügen. Die gemeinsam von Evonik und Secar realisierte Anlage erreicht einen vollautomatischen Durchsatz von 30 Bauteilen pro Stunde, also einen Zwei-Minuten-Takt. Diese Geschwindigkeit ist noch steigerungsfähig, etwa durch die Verwendung von schneller aushärtenden Harzsystemen.

Stoßfängerträger aus Sandwich dreimal leichter als aus Aluminium

Der Strukturschaumkern der Verbundfaserwerkstoffbauteile sorgt dafür, dass das resultierende Bauteil die gewünschte Energie- und Krafteinleitungsfunktionalität erreicht. Messungen an einem im Pulpress-Verfahren gefertigten Stoßfängerträger zeigen, dass die Steifigkeit ähnlich hoch ausfällt wie bei einem konventionellen Vergleichsbauteil aus Aluminium – obwohl das Verbundwerkstoffbauteil fast dreimal leichter ist. Im Gegensatz zu heutigen Prozessen, bei denen ein Strukturschaumkern mit Fasern zu einem Verbundwerkstoff verarbeitet wird, kommt das Pulpress-Verfahren fast völlig ohne Verschnitt aus – beim Kern und bei der Faser. Vom Prozess profitieren künftig Anwender nicht nur in der Automobilindustrie, sondern auch im Sportartikelbereich, in der Luftfahrtindustrie und in weiteren Märkten.

Dr. Sivakumara Krishnamoorthy, Evonik