Materialkompetenz für den Leichtbau: Fraunhofer IMWS präsentiert neue Lösungen auf der K-Messe

Vom Materialdesign über das Halbzeug bis hin zur zerstörungsfreien Prüfung fertiger Bauteile – seine Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette präsentiert das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS vom 19.-26. Oktober 2016 auf der K-Messe in Düsseldorf. Der Fokus liegt dabei auf Materialien für den polymerbasierten Leichtbau.

Eine der Neuheiten, die das Fraunhofer IMWS auf dem Fraunhofer-Stand (Halle 7/SC01) bei der führenden Messe für die Kunststoff- und Kautschukindustrie zeigen wird, sind thermoplastische Faserverbund-Sandwich-Halbzeuge. Gemeinsam mit der ThermHex Waben GmbH arbeiten die Forscher aus Halle an der Entwicklung serientauglicher Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren für Hochleistungs-Faserverbundsysteme mit thermoplastischen Wabenkernen.

Diese Halbzeuge werden insbesondere von der Faserverbundindustrie zu Sandwichplatten und -bauteilen verarbeitet, die beispielsweise in Lkw-Aufbauten oder im Automobilinterieur Anwendung finden. Das von ThermHex entwickelte Verfahren ermöglicht die Herstellung eines thermoplastischen Wabenkerns in einem einzigen Arbeitsschritt durch Extrusion einer Folienbahn mit nachfolgender Vakuum-Rotations-Thermoformung und Auffaltung. Durch die anschließende Inline-Laminierung der thermoplastischen Deckschichten aus multidirektionalen Laminaten oder imprägnierten Geweben auf den Wabenkern wird eine ressourceneffizientere und deutlich kostengünstigere Fertigung gegenüber herkömmlichen Verfahren ermöglicht.

Die mit dieser Methode entstehende serientaugliche Sandwichbauweise ist ideal für thermoplastische Leichtbau-Strukturen mit komplexer Geometrie. Dabei wird die gewichtsspezifische Biege- und Beulsteifigkeit signifikant erhöht, sodass beim Einsatz dieser sogenannten Organosandwich-Halbzeuge auf lokale Rippenversteifungen verzichtet werden kann. Am Fraunhofer IMWS erfolgt die Charakterisierung der Halbzeuge bezüglich ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie die Ermittlung der optimalen prozess- und materialtechnischen Parameter für die Herstellung anhand von experimentellen Versuchen und begleitenden numerischen Simulationen. Durch die Arbeit der Fraunhofer-Forscher sollen somit die Organosandwich-Halbzeuge durch gezielte Umformung für den Strukturbau bis hin zum passgenauen Design von Hybridbauteilen für die Herstellung in Großserie fit gemacht werden.

»Leichtbau ist eines der wichtigsten Zukunftsthemen für uns«, sagt Prof. Peter Michel, Leiter des Geschäftsfelds Polymeranwendungen am Fraunhofer IMWS. »Wir denken dabei aber nicht nur an die Verarbeitungsprozesse, sondern nehmen die gesamte Wertschöpfungskette in den Blick, vom mikrostrukturbasierten Materialdesign bis hin zum Recycling«, sagt er.

Ein Beispiel dafür sind optimierte Materialien für energieeffiziente Autoreifen, die das Institut ebenfalls auf der Messe präsentiert. Den Forschern aus Halle ist es gelungen, Gummirecyclate als nanoskalige Füllstoffe in die Laufflächen von Nutzfahrzeugreifen einzubringen. Dank der genauen Kenntnis der Mikrostruktur der kautschukbasierten Composite können so wichtige mechanische Eigenschaften wie Härte, Elastizitätsmodul oder Abriebfestigkeit beeinflusst werden. Das Ergebnis sind Reifen, die bei Erhaltung des Nassgriffs und Abriebs über weniger Rollwiderstand verfügen und somit den Kraftstoffverbrauch verringern. Zugleich werden natürliche Kautschukressourcen geschont. Diese Innovation wurde 2015 beim Hugo-Junkers-Preis des Landes Sachsen-Anhalt ausgezeichnet.

Den ganzheitlichen Blick auf die Materialinnovation beweisen die Fraunhofer-Forscher auch mit der Initiative des Materials Data Space. In diesem virtuellen Raum sollen unternehmensübergreifend digitale Daten zu Ausgangswerkstoffen und Halbzeugen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bereitstehen – eine wichtige Voraussetzung, um die Industrie 4.0 mit den passenden Materialien und Werkstoffen versorgen zu können. Die Plattform wird gerade entwickelt, unter anderem mit einem Schwerpunkt zu Faserverbundwerkstoffen. »Unser Ziel sind intelligente, hochfunktionalisierte Faserverbundmaterialien und -bauteile, die sich in Großserientechnologien maßgeschneidert herstellen lassen. Dazu wollen wir, beispielsweise durch Sensorierung, die gesamte Biografie der Werkstoffe digital erfassen. So kann ein Interagieren zwischen Material, Bauteil und Prozess mit deutlich verbesserter Material- und Prozesseffizienz möglich werden«, umschreibt Michel die Ziele.

In Halle 4, Stand C03, präsentiert das Fraunhofer IMWS zudem ein gemeinsames Projekt mit der Coatema Coating Machinery GmbH: ein kombiniertes Mikro- und Nanoprägeverfahren, mit dem sich die Oberflächen von Kunststoffen passgenau modifizieren lassen, um optimierte Materialeigenschaften ausgehend von Mikro- und Nanoebene möglich zu machen.