Um der wachsenden Bedeutung des Leichtbaus im Automobil gerecht zu werden, hat die BASF Mitte 2011 ein Composite-Leichtbau-Team gegründet. Die Gruppe kümmert sich um die Entwicklung von marktfähigen Materialien und Technologien zur Fertigung von Hochleistungsfaserverbund-Bauteilen für den Automobilbau, teilt das Unternehmen mit. Nur mit leichten aber anspruchsvollen Composite-Materialien und -Bauteilen lasse sich noch mehr Metall ersetzen und somit, unabhängig vom Antrieb des Fahrzeugs, Energieverbrauch und CO2-Emission weiter vermindern.

Durch ihr breites Portfolio sei es der BASF möglich, drei verschiedene Kunststoffmatrix-Systeme parallel zu untersuchen und anzubieten. In enger Zusammenarbeit mit den Kunden will das Unternehmen diese Systeme maßgeschneidert weiterentwickeln. "Wir können hier auf das BASF-Know-how in der Epoxidharz-, der Polyurethan- und der Polyamid-Chemie zugreifen, wollen im Team die Synergien nutzen und werden in den nächsten Jahren einen zweistelligen Millionenbetrag in die Entwicklung investieren", erläutert Willy Hoven-Nievelstein, Leiter der Geschäftseinheit Engineering Plastics Europe bei der BASF.

RTM und Faserverbundwerkstoffe: Gut fließen und schnell aushärten
Die Verarbeitungstechnologie hinter den neuen Werkstoffen ist das "Resin Transfer Molding" (RTM) genannte Verfahren, mit dessen Hilfe große und komplexe Verbund-Bauteile in einem Press-Form-Prozess entstehen. Dabei werden mehrlagige Faserstrukturen in ein beheiztes Werkzeug eingelegt, das sich in einer Presse befindet. Danach wird ein flüssiges Kunstharz in die Form gespritzt, das die Fasern vollständig benetzt und dann kontrolliert aushärtet. Im neu gegründeten RTM-Labor in Ludwigshafen sowie bei der Polyurethan-Forschung in Lemförde arbeiten die BASF-Experten an den chemischen und technischen Herausforderungen der neuen Matrix-Systeme. Die Automobil-Bauteile der Zukunft, die aus diesen Werkstoffen entstehen, sollen trotz ihres geringen Gewichts hoch belastbar sein.

Gutes Fließvermögen und vor allem kurze Aushärtezeit der Kunststoffkomponenten sind neben der mechanischen Leistungsfähigkeit des fertigen Faserverbundbauteils die zentralen Herausforderungen bei allen drei Materialgattungen. Unter den Marken Baxxodur® und Elastolit® R bietet die BASF bereits Lösungen auf Basis von Epoxidharz bzw. Polyurethan-Systemen an. Epoxidharzsysteme der BASF finden sich heute schon in den Rotorblättern von Windanlagen. Beide Materialien verfügen über neuartige Härtungsmechanismen: Sie tränken die Faser-Textilstrukturen durch ihre niedrige Anfangsviskosität sehr gut, härten dann aber innerhalb weniger Minuten aus, so die BASF. Damit bieten sie Lösungen für eines der Probleme, das dem Einsatz von Hochleistungsverbundwerkstoffen in der Fahrzeugserienfertigung bisher entgegenstand. Sie sind selbsttrennend und können auf gängigen Hoch- und Niederdruckanlagen verarbeitet werden. Die neuen Polyamid-Systeme, die sich zurzeit in der Entwicklung befinden, lassen sich zudem thermoplastisch recyclen und leicht schweißen, heißt es weiter. Je nach Anforderungsprofil des Kunden soll die eine oder andere der System-Lösungen zur Anwendung kommen. Besonderen Aufwand steckt die BASF in das beschleunigte Aushärten der drei Kunststoff-Matrixsysteme und damit in die weitere Verkürzung der Zykluszeiten.

Endlosfasern für Strukturbauteile: Carbon- und Glasfasern
Solche Strukturbauteile für Chassis oder Karosserie würden sich nur aus Verbundwerkstoffen auf Basis endloser Carbon- oder Glasfasern herstellen lassen und sie würden Fasergehalte von etwa 65 Gewichtsprozent erfordern. Endlosfasern sind heute schon im Flugzeugbau, in der Windenergiegewinnung, im Anlagenbau, im Prototypenbau und in automobilen Kleinserienanwendungen im Einsatz. Carbonfasern würden als Verstärkungsmaterial sehr hohe Steifigkeit bieten und seien daher von besonderem Interesse. Um sich hier frühzeitig mit Anwendern und Endnutzern austauschen zu können, ist die BASF seit kurzem Mitglied im Carbon Composites e.V. (CCeV), ein 2007 gegründetes Kompetenznetzwerk für Carbonfasern und Faserverbundtechnologie mit inzwischen mehr als 120 Mitgliedern. Wichtig für eine schnelle Markteinführung der Matrixsysteme seien jedoch neben der Leistungsfähigkeit eines Verstärkungsmaterials auch Preis und Verfügbarkeit. Hier zeigen Glasfasern ein hohes Potenzial: Ihre mechanische Leistungsstärke sei bei weitem noch nicht ausgereizt.

Multimaterialsysteme
Die Gesamtsysteme aus Kunststoff-Matrix und Faserverstärkung müssen darüber hinaus prozesssicher sein und sollten sich zügig in die Großserie übertragen lassen. Sie sollen zu einer Gewichtsreduktion gegenüber konventionellen Metallteilen von etwa 50 Prozent führen. Etablierte Technologien, die Metalleinleger oder endlosfaserverstärkte Einleger auf Basis von Organoblechen oder UD-Tapes (unidirektionale Fasergelege) im Kunststoff einbetten, ergänzen den neuen Ansatz. Endlosfaserverstärkte Deckschichten lassen sich darüber hinaus mit leichten Schaumkernen zu hochwertigen Sandwichstrukturen kombinieren, die eine außerordentlich gute spezifische Bauteilsteifigkeit und gute Isoliereigenschaften bei niedrigem Gewicht aufweisen. Die hierfür entwickelten PUR-Schaumsysteme zeichnen sich nach BASF-Angaben durch hohe Druckfestigkeit und Temperaturbeständigkeit bei niedriger Dichte aus. "Ohne solche Multimaterial-Systeme wird der nächste große Sprung im automobilen Leichtbau nicht möglich sein", so Volker Warzelhan, Leiter der Forschung Thermoplastische Kunststoffe der BASF. Parallel dazu erweitert die BASF ULTRASIM™, ihr inzwischen universelles Computersimulationswerkzeug, um auch das Verhalten komplexer Endlosfaserverbundstrukturen vorhersagen zu können.