Faserverstärkte Duroplaste für die Großserienfertigung im Spritzgießen (FiberSet)

Problemstellung
Energieeffizienter Leichtbau ist ohne Kunststoffe undenkbar und umfasst mittlerweile weite Produktbereiche, von der PET-Getränkeflasche bis zu Flugzeugen der neuesten Generation. Aus wirtschaftlich-technischen Gründen und den bisherigen Anwendungsbedingungen hat die Werkstoffgruppe der Thermoplaste, d.h. Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich immer wieder verformen lassen, einen Marktanteil von ca. 96% der gesamten Kunststoffanwendungen erobert (Quelle: KraussMaffei). Entsprechend hoch ist der Wissensstand in allen Bereichen der Wertschöpfungskette beim Einsatz thermoplastischer Werkstoffe, vom Werkstoff und seinen Modifikationsmöglichkeiten über Verarbeitungstechnologien und Qualitätssicherung bis hin zum Recycling.
Bei der Werkstoffgruppe der Duroplaste, d.h. Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können, bestehen demgegenüber gravierende Wissenslücken, insbesondere zur Gestalung von Prozessketten für die rationelle Serienfertigung. Auch die noch ungenutzten erheblichen Energieeffizienzpotentiale bei der Fertigung im Vergleich zu den Thermoplasten rücken diese Werkstoffe unter den aktuellen ökonomischen Randbedingungen wieder in den Fokus und waren Bestandteil des Forschungsprojekts FiberSet. Neben hoher Festigkeit, Steifigkeit und hoher thermischer Belastbarkeit haben Duroplaste bereits aus der Rohstoffbilanz gegenüber z.B. einem typischen Thermoplastwerkstoff eine um ca. 40% und gegenüber Aluminium sogar um ca. 85 % bessere Energieeffizienz. Bei der Verarbeitung gibt es aufgrund der exothermen Härtungsreaktion keine thermoplasttypischen Einschränkungen der Bauteilauslegung, z.B. hinsichtlich geringer Bauteil- Wandstärken.

Projektziele
Ziel des Forschungsprojektes FIBERSET war die Bereitstellung von erweitertem Prozesswissen zur Verarbeitung faserverstärkter Duroplastwerkstoffe mittels Spritzguss und damit zur breiten Anwendung von Duroplastwerkstoffen als Alternative zu thermoplastischen und metallischen Werkstoffen. Durch die erarbeiteten werkstoff- und fertigungsgerechten Konstruktionsvorschriften sowie die Beherrschung der komplexen Verarbeitungsabläufe bei der Duroplast-Spritzgießfertigung können künftig technisch und wirtschaftlich attraktive Bauteile aus Duroplasten in hoch anspruchsvollen technischen Applikationen realisiert werden. Planungssicherheit durch Simulationswerkzeuge und Qualitätssicherungsmethoden sollen die Akzeptanz dieser Werkstoffe zusätzlich befördern.

Vorgehensweise
Es wrden typische Lastfälle und Einsatzbedingungen für den Einsatz duroplastischer Funktionsbauteile im Automobilbau ermittelt. Auch erfolgten vergleichende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zwischen den Bauteil-Werkstoffgruppen Metall, Thermoplast und Duroplast.Für die Spritzguss-Verarbeitung mussten geeignete modifizierte Duroplastwerkstoffe und die notwendige Werkzeug- und Anlagentechnik entwickelt bzw. modifiziert werden. Für die Anwendungslevel Demonstrator und Realbauteil wurden das Bauteil- und Werkzeugdesigns erstellt sowie Prüf- und Qualitätssicherungsmaßnahmen erarbeitet.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Mit der Etablierung der Werkstoffgruppe der Duroplaste im Automobilbau werden die bestehenden Grenzen des Strukturleichtbaus technisch wie wirtschaftlich erweitert. Entwickler und Anwender bekommen die Möglichkeit, Leichtbau konsequenter und in technisch anspruchsvollen Applikationen zu realisieren. Den vor allem mittelständisch geprägten Verarbeitern steht ein effizienter Werkstoff zur Verfügung, mit dem sie konkurrenzfähig kalkulieren können. Duroplastische Bauteile können so z.B. als Komponenten in der Automobiltechnik helfen, Fahrzeuge leichter zu machen und damit Kraftstoff einzusparen.

• Bakelite GmbH
• Gubesch Thermoforming GmbH
• KraussMaffei Technologies GmbH
• Mercedes-Benz Group AG
• MITRAS Composites Systems GmbH
• OECHSLER AG
• Robert Bosch GmbH
• Schwarzpunkt Schwarz GmbH & Co. KG
• Technische Universität Chemnitz