Die endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffe der Marke Tepex von Lanxess, Köln, haben auch im Leichtbau von strukturellen Sicherheitskomponenten großes Einsatzpotenzial. Welche Möglichkeiten sie dabei bieten, zeigt das Beispiel einer als Technologiedemonstrator […]
Die endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffe der Marke Tepex von Lanxess, Köln, haben auch im Leichtbau von strukturellen Sicherheitskomponenten großes Einsatzpotenzial. Welche Möglichkeiten sie dabei bieten, zeigt das Beispiel einer als Technologiedemonstrator entwickelten Kopfstütze für einen Kindersitz. Sie wird im Partikelschaum-Verbund-Spritzgießverfahren (PVSG) gefertigt. „Mit dem Einleger aus Tepex kann das Gewicht der Kopfstütze gegenüber der kommerziell gefertigten Bauteilvariante um bis zu 30 Prozent gesenkt werden – und das bei vergleichbar guter Crash-Performance. Außerdem vereinfacht sich der Fertigungsprozess“, erklärt Dr. Klaus Vonberg, Leichtbauexperte in der Tepex Automotive Group des Geschäftsbereichs High Performance Materials (HPM) von Lanxess. Tepex wird von der in Brilon ansässigen Tochtergesellschaft Bond-Laminates entwickelt und produziert.
Öffentlich gefördertes Projekt
Der Demonstrator ist das Ergebnis eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) geförderten, länderübergreifenden Forschungsprojekts. Daran beteiligen sich das Institut für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung (SLK) der TU Chemnitz, die Polycomb GmbH aus Auengrund in Thüringen und der Kindersitzhersteller Avionaut aus Szarlejka in Polen, der den als Referenz dienenden Kindersitz produziert.
Effizienter Fertigungsprozess
Der Einleger aus Tepex wird in einem Spritzgießwerkzeug mit Wendeplatte in einem Prozessschritt umgeformt und mit einem kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Compound hinterspritzt. (Foto: Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung an der TU Chemnitz)
Die Projektpartner entwickelten für die Kopfstütze einen alternativen Fertigungsprozess auf Basis des PVSG. Sie griffen dabei zur lokalen Versteifung der Kopfstütze und zur Gewichtseinsparung auf einen zugeschnittenen Einleger aus Tepex dynalite 104-FG290(4)/47% zurück. Dabei handelt es sich um ein PP-basiertes, mit zwei Gewebelagen aus Endlosglasfaser-Rovings verstärktes Verbundmaterial. Der Einleger wird in einem Spritzgießwerkzeug mit Wendeplatte in einem Prozessschritt umgeformt und mit einem kurzglasfaserverstärkten PP-Compound hinterspritzt, um unter anderem die Tragstruktur für die Kopfstütze und Rückenlehne zu integrieren. Anschließend erfolgt in einem zweiten Werkzeug das Hinterschäumen des zuvor gefertigten Einlegers mit einem Partikelschaum auf Basis von expandiertem Polypropylen (EPP).
Von sechs auf eins
Die Referenzkopfstütze wird dagegen derzeit aus mehreren einzelnen Komponenten in Serie gefertigt. Die Tragstruktur besteht dabei aus langglasfaserverstärktem PP. Sie wird mit einer separat geschäumten EPP-Komponente mit vier Tragestiften aus PP zusammengebaut. „Der neue, hochintegrierte Fertigungsprozess ist im Vergleich zum bisherigen Verfahren nicht nur energieeffizienter, sondern ergibt direkt das fertige Bauteil. Insgesamt reduziert sich dadurch die Teilezahl von sechs auf ein Teil, was die Fertigungskosten unter anderem in puncto Logistik und maschinellem Aufwand senkt“, erläutert Norbert Schramm, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Chemnitz und dortiger Leiter des ZIM-Projektes. Die Gewichtsersparnis bei der Kopfstütze liegt in der derzeitigen, glasfaserhaltigen Bauteilausführung bei etwa 26 %, ist aber noch nicht ausgereizt. Schramm: „Kommt im Verbundhalbzeug und im Spritzgießmaterial eine Verstärkung auf Basis von Kohlenstofffasern zum Einsatz, resultiert eine um fast 30 Prozent leichtere Baugruppe.“
Enge Zusammenarbeit
Die als Technologiedemonstrator entwickelte Kopfstütze für den Kindersitz wird im Partikelschaum-Verbund-Spritzgießverfahren gefertigt. (Foto: Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung an der TU Chemnitz)
Die Projektpartner hatten verschiedene Entwicklungsschwerpunkte und Aufgaben. Das SLK kümmerte sich zum Beispiel um die Materialauswahl, analysierte die Verbundhaftung, legte die Struktur aus und führte eine Topologieoptimierung durch. Polycomb war unter anderem für die Entwicklung und konstruktive Umsetzung des Demonstrators verantwortlich, fertigte Prototypen und optimierte das Anlagenkonzept. Avionaut analysierte beispielsweise die Krafteinleitungsbereiche, entwickelte das Design und prüfte in realistischen Kollisionsversuchen das Crash-Verhalten der Kopfstütze und des ganzen Sitzes. Lanxess unterstützte die Projektpartner bei der Materialwahl und gab unter anderem Hilfestellung bei der Gestaltung des Hybrid Molding-Prozesses.
Großes Anwendungspotenzial auch bei anderen Baugruppen
Lanxess sieht für Tepex und das neue Verfahren auch gute Einsatzchancen in der Herstellung von Babyschalen oder von Rücken- und Armlehnen sowie Sitzschalen für neue, hochkomplexe Sitzkonzepte des autonomen Fahrens oder für Komfortsitze von Shuttle-, VIP- und Familienbussen. Gerade Elektrofahrzeuge würden von leichtgewichtigen Sitzen besonders profitieren. „Im Rahmen unseres Kundenservices HiAnt unterstützen wir Projektpartner bei der Entwicklung und Umsetzung solcher Komponenten und des zugehörigen Prozesses. Zu unseren Serviceleistungen zählen zum Beispiel Drapiersimulationen, die Werkzeugauslegung und Hinweise zum richtigen Handling des warmen, weichen Halbzeugzuschnitts. Außerdem helfen wir bei der Implementierung des Serienprozesses“, so Vonberg.
