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Mittwoch, 24. Januar 2018

Blick ins Labor

Eine Kunststoffwelt voller Metallbauverfahren

Von Peter Trechow | 27. September 2013 | Ausgabe 39

Luftfahrt und Sportgerätehersteller nutzen die Gewichtsvorteile faserverstärkter Kunststoffe in großem Stil. Autobauer wollen nachziehen, tun sich aber mangels großserientauglicher Fertigungsverfahren schwer. Am Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) Kaiserslautern legt eine Hundertschaft hoch spezialisierter Material- und Fertigungsforscher die Basis für großindustrielle Einsätze. Dafür machen sie die verstärkten Kunststoffe für typische Metallbauverfahren fit.

Rumms. Mit 40 km/h knallt der schwere Metallschlitten auf ein kinderarm-dünnes gelb-schwarz gemustertes Rohr. Sebastian Schmeer, Kompetenzfeldleiter Crash und Energieabsorption am Kaiserslauterer Institut für Verbundwerkstoffe (IVW), ist für das ungleiche Kräftemessen verantwortlich.

Als Schmeer das Rohr nach dem Versuch aus der Katapult-Anlage birgt, ist es halb so lang wie vorher. Doch der hintere Teil ist völlig intakt. Die vordere Hälfte hat sich darüber gestülpt. Bei diesem Vorgang haben die zähen gelben Aramidfasern und die zugfesten schwarzen Kohlenstofffasern 6 kJ Energie absorbiert sie ist in der Reibung beim Überstülpen, im Aufreißen der verklebten Schichten und in der Trennung von Fasern und Harzmatrix versiegt. "Job erfüllt", resümiert der Forscher. Das Material könnte zur Aufhängung von Autostoßstangen dienen. Bei einem realen Unfall mit 40 km/h hätte es die Längsträger vor teuren Schäden bewahrt.

Dutzende Sensoren haben den Crash überwacht. Schmeer zeigt auf einem Monitor den homogenen Absorptionsverlauf. "Bei Metallaufhängungen ist die Kurve wellig, weil Metall knittert. Die Crashenergie findet dabei Wege, nahezu ungebremst in die Längsträger zu fließen", erläutert er.

Das Institut für Verbundwerkstoffe (IVW)

Der Versuch ist ein Beispiel dafür, dass Faserverbunde nicht nur leicht sind, sondern bei geschickter Konstruktion auch besser funktionieren als Metalle. Das soll ihnen trotz hoher Kosten den Weg in Massenmärkte ebnen. Hier am IVW arbeitet eine Hundertschaft Werkstoff-, Konstruktions- und Fertigungsspezialisten an diesem Ziel. Rohrstummel aus verschiedensten Faserverbund-Materialien in der Katapult-Anlage zeugen davon, wie systematisch sie dabei vorgehen.

Schmeers Team beschäftigt sich tagein tagaus damit, die Werkstoffe in die Knie zu zwingen. Zug-, Druck- und Schubversuche, tagelange Lebensdauertests an eigens entwickelten Prüfständen und Impact-Tests in der Katapult- und einer 15 m hohen Fallturm-Anlage eröffnen ihnen immer neue Einblicke in das komplexe Versagen der verstärkten Kunststoffe. Die so gewonnenen Messdaten füllen Werkstoffdatenbanken und sind der Baustoff für immer exaktere Simulationstools, die hier am Institut entwickelt werden. Gerade die Automobilindustrie lechzt danach. Sie braucht bezahl- und berechenbaren Leichtbau, um CO2-Ziele zu erreichen und die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu steigern.

Der Weg dahin führt über Zerstörung. "Alles, was wir designen und fertigen, müssen wir auch wieder kaputt machen", erklärt Michael Magin, Leiter der IVW-Kompetenzfelder Ermüdung, Lebensdaueranalyse und Bauweisenentwicklung. Jeder Versuch und die darauf folgenden Analysen mit Computertomographen, Rasterelektronenmikroskopen und selbst entwickelten Algorithmen zur Versagensauswertung ist ein Schritt in Richtung großindustriell umsetzbarer Lösungen.

Gerade startet ein Zugversuch. Überwacht von Video-, 3D-Kameras und Mikrofonen zerrt der Prüfstand an einem kleinen T-Stück aus Kohlenstofffaserverbund (CFK). "Ein Element aus dem Flugzeugbau, das Außenhaut und tragende Strukturen ohne Nieten verbindet", erläutert Magin. Nun soll es zeigen, was es aushält. Bis 15 000 N zeigt das silbrig-grau gesprenkelte T keinerlei Reaktion. Magin kann in Ruhe erklären. "Am gesprenkelten Zufallsmuster vollziehen unsere Algorithmen kleinste Dehnungen nach und lokalisieren Veränderungen punktgenau."

Methoden, Prüfstände und Software entwickle das IVW ständig weiter, um anhand der Testdaten immer feinere Bauteil- und Fertigungssimulationen zu realisieren. Während Magin erklärt, setzt am Prüfstand ein Knistern ein. Erste Risse tun sich auf. Dann – bei 17 000 N Zugkraft – bricht der Faser-Harz-Verbund mit einem Knall auf. Doch das Bauteil hält, obwohl die Zugkraft nur langsam reduziert wird. Noch zerren weit über 10 000 N am knisternden T-Stück. Jeder Ton wird als Punkt auf einem Display angezeigt. "Es sind Zigtausend Schallereignisse", erläutert Magin. Indem sie optische und akustische Daten übereinanderlegen, können sie den Schadensverlauf später minutiös nachvollziehen.

Ein Weg zur Kostensenkung ist es, das Leistungsvermögen der teuren Leichtbau-Werkstoffe auszureizen. Hermann Giertzsch, der "Kriminalist" des IVW, zeigt einen Ansatz dazu am Computertomographen. Bis zu 1000 Bilder macht das Gerät, während eine Probe darin einmal um die eigene Achse gedreht wird. Geclusterte Rechner setzen daraus in stundenlanger Arbeit farbige 3D-Abbilder der Probe zusammen. Giertzsch zeigt eine Aufnahme mit gleichmäßig verteilten grünen und violetten Bläschen. "Das sind mit flüssigem Polymer gefüllte Mikrokapseln", sagt er. Entstehe ein Riss im Bauteil, würden sie aufbrechen und den Schaden lokal verkleben. Die von Knochen abgeschaute Selbstheilung ist im Forschungsstadium. Doch das IVW arbeitet mit Industriepartnern schon an Anwendungen. Die Wege von Grundlagenforschung zum Produkt sind im Leichtbau kurz.

Zurück zu den Knochen, die Vorbilder sind in Sachen Materialeffizienz. "Sie können so schlank ausgelegt sein, weil sie Reparaturmechanismen haben. Nach diesem Vorbild wollen wir Bauteile auf optimale Performance statt auf Lebensdauer auslegen", so Giertzsch. Dafür müssen die Reparaturkapseln die heiße Fertigung unbeschadet überstehen und gleichmäßig im Material verteilt sein. An seinen Hightech-Apparaten überprüft er, wie sich Änderungen im Fertigungsprozess auswirken und ob der Reparatureffekt sich nach Überbelastungen tatsächlich einstellt.

Kunden und Kollegen liefern ständig Proben in seinem Labor ab, um Werkstoffe auf µ-Ebene zu verstehen. Wie hoch darf der Druck beim Spritzguss steigen, ohne dass sich Fasern verschieben? Wo liegt an Scherkanten die Grenze zum Faserbruch? Wie haftet die neue Harz-Rezeptur an Fasern? Wo bilden sich Lufteinschlüsse? Der tiefe Blick in Bauteile hilft, Konstruktionen, Fertigungsprozesse und Simulationen ständig zu optimieren.

So können die Pfälzer neue Herausforderungen annehmen. Etwa eine fast 9 m lange CFK-Antriebswelle für eine 3,6-MW-Offshore-Windkraftanlage.

Zwei 64 m lange Flügel zerren an der aus Kohlenstofffasern gewickelten Welle. Vier Tonnen wiegt sie. Die Hälfte davon geht auf die 8 cm dicke CFK-Schicht zurück. Schon das Wickeln ist schwierig. Der Duroplast wird beim Aushärten so heiß, dass er sich ohne exakte Prozessführung entzünden würde. Vor allem aber muss eine bombenfeste Verbindung zwischen CFK und Stahlflanschen an den Wellenenden her: Die Welle überträgt bis 50 000 Nm Drehmoment. "Das ist, als würde ein 40-Tonner mit 14 m Hebelarm daran ziehen", sagt Magin. Nur weil das Moment in Faserrichtung wirkt, hält ihm die Welle stand. Dabei ist sie selbst dank eines speziellen Aufbaus von Matrix und Fasern biegsam. Sie federt Turbulenzen ab, die eine Stahlwelle 1:1 in die Lager einleiten würde.

Zusatzfunktionen lassen sich bei Faserverbunden auf viele Weisen realisieren. Moritz Hübler experimentiert mit Formgedächtnisaktoren in Hybrid-Verbunden. Im Versuch zeigt er, was sie können. Er taucht einen flachen Kunststoffstreifen in heißes Wasser. Sofort krümmt er sich. Wieder an der kühleren Luft kehrt er allmählich in die flache Ausgangsform zurück. "Wir erreichen mit einem Draht von 1 mm Durchmesser Zugkräfte von ca. 430 N und Biegewinkel über 90 °", sagt er.

Der Aktor ist in die Harzmatrix integriert, was im realen Einsatz Gewicht, Bauraum und Kosten senken würde. Denkbar sind aktive Lüftungsschlitze, die ohne Steuerung und Strom auskommen. Bei Hitze öffnet sie das Formgedächtnismaterial und schließt bei ausreichender Abkühlung. Für das Temperaturmanagement von Elektroautos, in denen jede Wh kostbar und Hitze verpönt sind, könnten in die Außenhaut integrierte Aktoren die Lösung sein. Hübler legt in Versuchsreihen die Basis für ihren Einsatz.

Während Moritz Hübler noch am Anfang steht, bewegt sich Martin Gurka mit seinem Team in Marktnähe. Was in ihrem Thermoplast-Labor im Dunst geschmolzenen Kunststoffs vor sich geht, grenzt an Alchemie. "Indem wir Thermoplasten Füllstoffe zusetzen, modifizieren wir ihre Eigenschaften", sagt er. Resultat sind leitende, magnetisierbare, verschleißfeste oder elastische Thermoplaste. Viel ist machbar. Nicht über alles will der promovierte Physiker im Detail reden.

Um die als Mikro- oder Nanopartikel zugesetzten Füllstoffe homogen im Kunststoff zu verteilen, setzen die IVW-Forscher auf gelöste Partikel. Gurka zeigt eine Probe davon klar wie Wasser, obwohl sie fast zur Hälfte aus 20 nm kleinen Silizium-Oxid-Partikeln besteht. "In der Schmelze verdampft die Lösung und die Partikel verteilen sich ohne Staubfreisetzung im Kunststoff", erläutert er.

Neben dem Forscher kommt aus einer Extrudieranlage ein durchsichtiger Film, der einige Schritte weiter zu 300 µm dünner Folie gewalzt wird. Solche Folien sind die zentralen Zutaten zu einer Spezialität der Pfälzer: Organobleche. Peter Mitschang, der als technisch-wissenschaftlicher Direktor die Verarbeitungstechnik verantwortet, zeigt in "seiner" Forschungsfabrik, was es mit diesen Blechen auf sich hat. Ihr Ursprung ist eine 15 m lange Maschine, in die sich von über einem Dutzend Rollen jeweils im Wechsel Folien und Fasergewebe abrollen. Halbmeterweise rückt das 2 m breite Folien-Gewebe-Sandwich in eine Intervall-Heißpresse vor, die sich rhythmisch öffnet und schließt. Jedes Intervall presst weitere 50 cm zu Organoblech.

Die Eigenschaften der Bleche stellt Mitschangs Team mit den eigens kreierten Folien ein. Soll die Oberfläche leiten, nehmen sie Deckfolie mit Carbon-Nanotubes. Damit verhalten sich die warm umformbaren und per Laser oder Induktion schweißbaren Bleche in der kathodischen Tauchlackierung wie Metall. Andere Zusätze verhindern, dass sich das Fasergewebe an Sichtflächen abzeichnet. Aus Organoblech geformte Kotflügel und Motorhauben könnten bei wirklich glatten Oberflächen mit Hochglanzfolien beklebt statt lackiert werden. Daneben hoffen die Forscher auf Zusätze, die der Problematik unterschiedlicher Ausdehnung von Kunststoff und Metallen in den Trockenöfen der Lackierstraßen ein Ende machen. Dafür müssten sie die Ausdehnungskoeffizienten von Faserverbunden und Metallen synchronisieren.

Und nicht zuletzt geht es um Crashsicherheit. Die Lauterer treiben Verfahren voran, in denen sie mit Kurzfasern versetzte Kunststoffe per Spritzguss als Verstärkungen in tiefgezogene Organobleche einbringen. Ergebnis sind extrem leichte, stabile Bauteile, die in den Taktzeiten automobiler Großserien produzierbar sind. Die neue Leichtbau-Welt mit Blechen, Profilen und Halbzeugen, mit Tiefziehen und Warmumformen und mit Induktions-, Laserschweißen und nicht zuletzt exakter Fertigungssimulation hat einen weiteren Vorteil: Automobilingenieure aus der Metallwelt würden sich besser darin zurechtfinden, als in der textilen Leichtbauwelt mit Gewebe, Gestrick sowie Näh-, Web- und Flechtmaschinen. PETER TRECHOW

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