05.09.2013

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Vom ersten "Treffpunkt Kunststoff" in Bayreuth

Der Vergleich der beiden Werkstofftechnologien und die Frage, nach welchen Kriterien sich für das eine oder andere Konzept entschieden werden soll, standen im Mittelpunkt der ersten Gemeinschaftsinitiative "Treffpunkt Kunststoff: Compounds und Composites - Zwei Wege zum selben Ziel?" am 11. Juli 2013 in Bayreuth. Die Veranstaltung wurde gemeinsam vom Kunststoff-Netzwerk Franken e. V. (KNF) und dem Cluster Neue Werkstoffe (CNW) organisiert. Die zweite Veranstaltung des Treffpunkts Kunststoff zu Thema "Compounds und Composites - Fertigungsverfahre und Automatisierung" findet am 14. November 2013 in Bamberg statt.[image_0] Bauteilkonzepte und Designkriterien beim Einsatz von Compounds auf der einen und Compositen auf der anderen Seite stellen die Konstrukteure und Anwender vor vielfältige Herausforderungen. So sind beispielsweise in beiden Fällen die Werkstoffeigenschaften stark vom Verarbeitungsverfahren abhängig und die Festlegung von Toleranzen demgemäß komplex. Dass die Automobilindustrie beim Einsatz der Kunststofftechnologie eine Vorreiterrolle spielt, zeigen aktuelle Beispiele, vom verstärkten Einsatz von Hochtemperatur-Compounds in motornahen Bereichen bis hin zum BMW i3 mit seiner Carbon-Karosserie. Bauteilkonzepte und Design, sowie die Kriterien zur Materialauswahl müssen aus der Sicht eines Automobilisten ganzheitlich betrachtet werden. Der Einsatz von Composites zu Leichtbauzwecken wirkt beispielsweise dreifach: er verbessert die Fahrdynamik, reduziert den Verbrauch und erhöht die Fahrzeugsicherheit, wie Günter Deinzer von der Audi AG aufzeigt. Die Designanforderungen, die Möglichkeiten für eine Integralbauweise, aber auch das Fahrzeugproduktionsvolumen sind wesentliche Auswahlkriterien für einen Composite-Einsatz. "Die Zukunft des Karosseriebaus liegt in der Mischbauweise und dazu müssen fakultätsübergreifende Kooperationen realisiert werden", fordert Deinzer. Das "emotionale" Produkt Automobil lebt dabei auch von einer besonderen Oberflächengestaltung. Speziell Composite stellen hier hohe Anforderungen an die Hersteller, da gängige Verfahren, wie der KTL-Prozess nicht durchgeführt werden können. Stand der Technik bei Compositen ist beispielsweise eine dreistufige Lackierung von Carbonfaserkunststoffen (CFK) im Zeitraum von 6 Stunden. Dabei gibt es eine Vielzahl an Parametern, um die Haftungsmechanik zu beeinflussen und somit vielfältige Beschichtungsherausforderungen. Beispielhaft seinen hier Matrixanhäufungen genannt, die zu Strukturabzeichnungen beim beschichteten Produkt führen können. Auch Kunststoffcompounds werden beispielsweise durch höhere Füllgrade und durch die Verwendung von hohen Polyolefinanteilen schwieriger zu beschichten. "Die Zukunft liegt für hochwertige Automobiloberflächen in neuen Produktionsprozessen, wie beispielsweise der Kombination von IMC und Lackierung", prognostiziert Willi Scheuchenpflug von der Berlac AG.[image_1_right] Die Werkstoffvielfalt unter der Oberfläche scheint dabei nahezu unbegrenzt. Dr. Jürgen Stebani, CEO der polyMaterials AG, benennt derzeit etwa 100 Polymere mit technischer Relevanz. Um zu neuen und optimierten Werkstoffen zu kommen, können diese Polymere im High-Throughput-Screening-Verfahren beliebig miteinander compoundiert werden. Eine Herausforderung ist es dann, in diesen Kombinationen gezielt nach neuen Hochleistungsmaterialien zu suchen. Speziell hierfür wurde die HTC-Technologie entwickelt. Dieses System ermöglicht in kurzer Zeit die Erstellung umfangreicher Bibliotheken und das Screening der Compounds. "Auf diese Weise wurden schon viele neuartige Hochleistungskombinationen gefunden", so Stebani. Die Faserverteilung und speziell die nach dem Fertigungsprozess vorliegenden Längen bei faserverstärkten Compounds sind wichtige Kriterien für die Bauteileigenschaften. Zahlreiche Forschungsarbeiten zeigen, dass hier der entscheidende Stellhebel für die spätere Bauteilfestigkeit liegt, so Dr. Andreas Spörrer, Neue Materialien Bayreuth GmbH. Eine Grundvoraussetzung für die sichere Auslegung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, sei die Bestimmung der Faservorzugsorientierung, erläutert Johanna Fleckenstein vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit(LBF), wo eine entsprechende Charakterisierungs- und Modellierungsmethodik entwickelt wurde. Die Faserausrichtung spielt auch in der Finiten-Elemente-Methode (FEM) eine große Rolle, um lokale Werkstoffeigenschaften zielgenau beschreiben zu können. Die Berechnungsmöglichkeiten mittels FEM dienen der gezielten Auslegung von Compounds und Composites. "Die grundsätzliche Voraussetzung für eine Simulation ist immer eine konkrete Fragestellung", so Stefan Merkle von der Merkle & Partner GbR. "Simulieren lässt sich vieles, aber die Aussagekraft hängt von der gewählten Frage ab", so Merkle weiter. Die FEM ist für verschiedensten Arten von Compounds und Composites weit verbreitet. Insbesondere die statische Festigkeit kann für alle diese Materialien relativ gut berechnet werden. Beim Crashverhalten gibt es bei einfachen Compounds sehr gute Ergebnisse, wohingegen die Produktionssimulation und die Berechnung dynamischer Festigkeiten für Composites bisher nur schwer durchzuführen ist, konstatiert Merkle. Doch gerade eine Vorausschau auf den Fertigungsprozess ist essentiell, um "Überraschungen beim Gang in die "Hardware" zu vermeiden, stellt Marco Bernsdorf CYTEC / Division Industrial Materials klar. Eine Kostensimulation der Composites-Fertigung sollte daher unbedingt durchgeführt werden. "Fertigungsdesign und fertigungsgerechte Materialien sind der Schlüssel zum erfolgreichen CFK-Einsatz", so Bernsdorf. Die Vorteile von Compositematerialien sieht Dr. Winfried Schmidt, Oechsler AG, im hohen Leichtbaupotenzial, insbesondere bei eher flächigen und relativ großen Bauteilen. Die Entwicklung von Compounds ist eher getrieben vom Wunsch nach speziellen Eigenschaften, wie beispielsweise der Magnetisierbarkeit oder einer thermischen Leitfähigkeit. Compounds und Composite sind kombiniert ein Weg zu einem gemeinsamen Ziel, resümierte Schmidt. Der Bedingungsleichtbau aus den Spannungsfeldern Material, Form und Prozess ist das Konzept, damit ein Leichtbauprodukt verkauft werden kann. Die Prozessintegration von Umformen, Fügen, Trennen sowie die Funktionsintegration führen dabei zur Großserientauglichkeit, betont Dr. Markus Schuck, HBW- Gubesch Thermoforming GmbH. Zu bedenken bleibt jedoch, dass eine Integralbauweise immer Nachteile bei Wartung, Reparatur und Austausch nach sich zieht.In beiden Werkstoffbereichen gilt unbestritten, dass Fertigungsverfahren und Möglichkeiten der Automation mit ausschlaggebend für die Entscheidung für oder wider einen Werkstoff sind. Die integrierte Compoundierung im Spritzgussprozess ist dabei eine optimale Lösung für individualisierte Produkte bei trotzdem hoher Stückzahl. Auch Prozesse zur automatisierten Erzeugung von Sandwich- oder Hohlmaterialien sind von hohem Interesse, da der Eigenschaftsgewinn im Vergleich zum Vollmaterial sehr groß ist. Auch sind die Fertigungsprozesse zur Bauteilfertigung aus Organoblechen heute sehr ausgereift und die Bauteilqualitäten sind hervorragend, wie Martin Würtele, KraussMaffei Technologies GmbH, im Vorgriff auf das zweite Forum am 14. November darstellt. Prof. Dr. Rudolf Stauber, Fraunhofer IWKS und Cluster Sprecher des CNW, fasst zusammen, dass Compounds und Composites heute einen wichtigen Schrittmacherdienst für den Leichtbau leisten. Maßgeschneiderte Werkstoffe erschließen vielfältig neue Anwendungen in den Bereichen Automobil, Luft und Raumfahrt, Medizintechnik, sowie bei Funktionselementen. Insbesondere die Bauteilsimulation und innovative Verarbeitungsverfahren sichern nachhaltig die Wettbewerbsfähigkeit in der Prozesskette Kunststoff, in der Großindustrie sowie für KMUs, so Stauber.

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