Leichtbau mit PUR-basierten Composites für Automotive ... · Extrusion und Kautschuktechnologie Faserverstärkte Kunststoffe und PUR Formteilauslegung und Werkstofftechnik Zentrum

Daniel Schneider, M.Sc.

FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg

28.06.2016

Leichtbau mit PUR-basierten Composites für Automotive-Anwendungen

Agenda

Vorstellung des IKV

PUR als Matrixmaterial für Automotive-Anwendungen

Anwendungen

Verfahren

Herausforderungen

Forschungstätigkeiten am IKV

Ausgewählte Projekte

Möglichkeiten zur Kooperation

Fazit und Ausblick

1 FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg

2

Vorstellung des IKV


IKV – Das Institut für Kunststoffverarbeitung

1950 von Industrie und Handwerk

gegründet

Getragen durch eine Fördervereinigung

(mehr als 250 Mitglieder)

330 Mitarbeiter (200 studentische

Hilfskräfte)

9.000 m² Labore und Technika

Spritzgießen

Extrusion und Kautschuktechnologie

Faserverstärkte Kunststoffe und PUR

Formteilauslegung und Werkstofftechnik

Zentrum für Kunststoffanalyse und -prüfung

Aus- und Weiterbildung

Forschungsschwerpunkte / Abteilungen Zahlen und Fakten


Integration des IKV in das Composite Forschungsnetzwerk der

RWTH Aachen University


Zusammenarbeit mit dem IKV

Bilaterale Forschungsprojekte

Material-, Prozess- und Bauteilentwicklung, Consulting, Schadensanalyse, …

Exklusive Ergebnisse, Vertraulichkeit und Rahmenverträge möglich

Akquisition öffentlicher Förderung (ZIM, Innovationsgutschein)

Verbundforschung

Exklusive Gemeinschaftsforschung in einem

Industriekonsortium (GFP)

Aktive Teilnahme in öffentlich geförderten Projekten

(BMBF, EU, …)

Begleitung öffentlich geförderter Projekte (PBA)

Fachtagungen und Schulungen

Maßgeschneiderte Schulungen für Ihr Unternehmen

Konferenzen, Fachtagungen und Seminare

Handwerkslehrgänge

FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg 5

Forschung und Entwicklung

gemeinsam mit dem IKV

6

PUR als Matrixmaterial für

Automotive-Anwendungen


[Rühl]

[Covestro]

[Frimo]

Anwendungsbeispiele von

PUR-Composite-Bauteilen im Automobil


[Fehrer] [Porsche]

[Zenos]

[Artega]

Verarbeitungsverfahren für PUR-Composites


Injektionsverfahren Spray-Prozesse

Resin Transfer Moulding (RTM)

Structural Reaction

Injection Moulding (S-RIM)

Reinforced Reaction

Injection Moulding (R-RIM)

Langfasersprühen

(LFI / FCS / CSM / Interwet)

Structural Component Spraying (SCS)

+ Bauteilkomplexität

+ Geringe Wandstärken

+ Funktionsintegration

+ Maßhaltigkeit

+ Gewicht (Struktur-

schaum)

+ Variabilität

+ Faserorientierung

+ Mechanische

Eigenschaften

+ Variabilität

+ Prozessdrücke

+ Optimale Benetzung

der Fasern

+ Bauteilkomplexität

+ Hinterschäumen

+ Hohe Variabilität

+ Kein Verschnitt

+ Oberflächenqualität

+ Mechanische

Eigenschaften

+ Prozessdrücke

+ Hohe Variabilität

Kurzfasern (< 500 µm)

Front- / Heckschürze

Schweller

Langfasern /

Endlosfasern

Türverkleidung

Endlosfasern

Strukturelemente (z. B.

B-Säule, Dachmodul)

Langfasern

(12,5 – 100 mm)

Großflächige Bauteil

Geschäumt und

kompakt

Langfasermatten

Sandwich-Bauteile

Herausforderungen von

PUR-Composites im Automobil


Einflussfaktoren bei der Reduktion der

Zykluszeit

Reaktionskinetik (Formfüllung)

Snap-Curing (Aushärteverhalten)

Wärmeentwicklung (Schädigungen)

Aspekte zur Erhöhung der

Prozesssicherheit

Auslegung der Prozesse (Ermittlung

charakteristischer Material-Kennwerte)

Reproduzierbarkeit (Qualitätskontrolle

im Prozess)

Anlagentechnik (effiziente Dosierung)

Entformbarkeit (Trennmitteleinsatz bzw.

–reduktion)

Produktionseffizienz Bauteilperformance

Gewährleistung der geforderten

mechanischen Eigenschaften

Steifigkeit (strukturelle Anwendungen)

Absorptionsvermögen(Fußgängerschutz)

Dauerfestigkeit

Erzielung hoher Oberflächenqualitäten

Nachbearbeitungsaufwand /

Lackierbarkeit

Class-A-Oberfläche für Sichtbauteile

Funktionalisierung

Recycling / Nachhaltigkeit

Einsatz von recycelten Materialien (z. B.

von Verschnittfasern)

Trennung von Matrix und Fasern

10

Forschungstätigkeiten am IKV


Abteilung Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane

11

Pultrusions- und

Faserwickelverfahren

Wickelgerechte Auslegung

Prozessentwicklung für alternative

Matrixwerkstoffe

Prototypenfertigung

Rovingverarbeitung

Materialcharakterisierung

Verfahrensentwicklung

Prozesssimulation und

Faserorientierungsanalyse

Werkzeugtechnik

LFT/GMT/SMC-Fließpressen

Pressverfahren

Entwicklung neuer

Verarbeitungsverfahren

Verfahrensoptimierung

Prozessüberwachung

Werkzeugtechnik

Prototypenfertigung

Flüssigimprägnierverfahren

Herstellung von Hart- und

Weichschäumen

Verstärkte Polyurethane

Werkzeugtechnik

Verfahrensentwicklung und

-optimierung

Polyurethan-Technologie

Materialentwicklung und

Organoblechherstellung

Umformanalyse und

Verfahrensentwicklung

Prototypen- und

Kleinserienfertigung

Umformung thermoplastischer FVK

3D-Faserspritzverfahren

PUR-Sprühimprägnierung

Verarbeitungs- und

Imprägnierstudien

Preformherstellung und -analyse

Preforming und Sprühimprägnierung


Forschung im Bereich Polyurethane am IKV –

PUR als Matrixmaterial in FVK-Bauteilen

Gezielte Nutzung von PUR zur…

Erhöhung der Oberflächenqualität von FVK-Bauteilen

Herstellung struktureller FVK-Sandwichbauteile durch

prozessintegrierte Imprägnierung und Schaumerzeugung

Steigerung der Produktionseffizienz durch optimierte

Fertigungsstrategien zur Herstellung von FVK-Bauteilen


Serientauglichen Fertigung von FVK-Bauteilen

mit transparenter Sichtoberfläche

Die Herstellung von CFK-Bauteilen mit Sichtoberfläche

stellt eine material- und verfahrenstechnische

Herausforderung dar.

Fertigung komplexer FVK-Bauteile mit definierter

Oberflächenanforderung

Weiterentwicklung der Prozesskette PUR-

Sprühimprägnierung und Nasspressen

Einstufige und zweistufige Herstellung von endlosfaser-

verstärkten FVK-Bauteilen mit einer glasklaren

Oberflächenschicht im PUR-Sprüh-Prozess realisierbar

Die Oberflächenwelligkeit kann durch die zusätzliche

Oberflächenschicht reduziert werden

Laufzeit: 02/2015 – 01/2017

Problemstellung

Zielsetzung

Ergebnisse

Partner

Prozessansatz

Vergleich der Oberflächeneigenschaften

Referenz ohne Coating

Anwendung

Sitzlehnenschale als

CFK Sichtbauteil [Porsche]


Großserientaugliche Fertigung von

endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen

14

Laufzeit: 06/2014– 05/2017

Problemstellung

Herstellung struktureller 3D-Sandwichbauteile mit endlos-

faserverstärkten Deckschichten bisher nicht effizient

möglich

Zielsetzung

Weiterentwicklung der PUR-Sprüh-Prozesskette zur

Fertigung komplexer FVK-Sandwichbauteile in Großserie

Ergebnisse

Herstellung von endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen

mit prozessintegriert ausgeschäumtem Schaumkern

Erzielung einer hohen Decklagenqualität bei geringen

Forminnendrücken (< 10 bar)

Erzielung einer homogenen geschlossenzelligen

Schaumstruktur

Partner

[parat]

PUR-Sandwichbauteil

mit endlosfaser-

verstärkten Deck-

schichten und prozess-

integriert ausge-

schäumtem Kern

10-1-2

2 mm

1 mm 1 mm

Beispielhafte Anwendung:

IT-Transportkoffer


Aufbau einer Injektionseinheit für die qualitäts-

gesicherte und automatisierte RTM-Fertigung

15

Laufzeit: 06/2014 – 05/2016

Problemstellung

Keine vollautomatisierte und geregelte RTM-Fertigung

verfügbar. Qualitätssicherung muss der Bauteilfertigung

immer nachgeschaltet werden.

Zielsetzung

Aufbau einer Injektionseinheit die eine Prozessregelung

und online Qualitätssicherung erlaubt.

Ergebnisse

Aufbau von Messständen zur Bestimmung von

Regelalgorithmen für die Prozessregelung.

Qualitätsgesicherte Fertigung von CFK-Bauteilen

Online Bestimmung von Vernetzungsgrad und

Harzviskosität

Partner

Kolben für Harz

Injektion

Anschluss an das

RTM-Werkzeug

Austauschbare

Harzkartusche

Druck-, Temperatur-, dielektrische Sensoren

Messzelle für

Prozessregelung

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 20 40 60

Dru

ck [

bar]

Zeit [s]

1. Sensor

2. Sensor


16

Laufzeit: 06/2012 – 05/2014

Problemstellung

Aktuell lassen sich mit permanenten Trennschichten kaum

dauerhaft gute Entformungseigenschaften erzielen.

Zielsetzung

Untersuchung und Modifikation der Interphase durch

grenzflächenaktive Substanzen

Ergebnisse Senkung der notwendigen Entformungskräfte um bis zu 94 %

Patentiertes Additiv für optimierte Entformungseigenschaften.

Projektbegleitung

Trennfreundliche PUR-Systeme durch

Interphasenkontrolle

Werkzeug

PUR-

Gemisch

einspritzen ausreagieren

Interphase

PUR-

Bulk

Interphase

PUR-

Bulk

entformen

Werkzeug Werkzeug

Grenzflächenaktive Substanzen

Trennschicht


2011 Permanente

Entformungsschichten

2003 PF-Schäume als Kernmaterial bei Sandwich-Bauteilen

2004 Hinterschäumen von Dekorfolien

1990 Epoxidharze beim RIM

1990 Faserverstärkes RIM-PA

1990 Optimierung der Arbeitspunkt-

einstellungen bei RIM-Anlagen

1986 Thermische und mechanische

Auslegung von RIM-Werkzeugen

1985 Produkt- und Verfahrensver-

besserung im RRIM-Verfahren

2004 Neue Polymerschäume für Sandwichstrukturen

2004 Lokale Anisotropien beim RRIM mit

Mikrowellentechnik

2006 Entwicklung eine schubweichen Kernelements

geringster Dichte

1992 Diagnose von Steuerungs-

systemen von RIM-Anlagen

IKV-Historie im Bereich Polyurethane –

Abgeschlossene öffentliche Forschungsprojekte von 1980-2015

1982 Dichteverteilung in PUR-Schäumen

1984 Reduzierung von FCKW bei der

Herstellung von PU-Schaum

17

2007 Charakterisierung von PUR mittels

Ultraschall

2011 Entspannungsaggregat

zum CO2-Schäumen

2010 Einfluss von Prozess-

parameter auf Weichschäume

2015 1980

1996 Verbesserung der

Oberflächenqualität beim

RRIM 1996 Prozessüberwachung

beim RIM

1994 Modellierung des

Schäumvorgangs

1994 Charakterisierung

hochreaktiver Mehr-

komponenten-Systeme

1996 Dynamische Betriebs-

verhalten von RIM-Anlagen

1997 Langfaserverstärkter

PUR-Integralschaum

1987 Modellbildung und

Steuerung von HD-Anlagen

1987 Optimierung der Anlagen

zur 2K-Nylon-Technik

1986 Untersuchung

hochreaktiver PUR-Systeme

1985 Optimierung der

Gegenstrominjektiontechnik

1985 Auslegung von PUR-

Werkzeugen

1987 Verbesserung der

Bindenahtqualität beim RIM

1994 Hochleistungsverbund-

werkstoffe beim SRIM

1993 Fließwiderstandscharak-

terisierung im Injektionsverfahren

1993 Vorformprozess von

flächigen Faserstrukturen

1988 Füllsimulation beim RIM

1989 CAE-Programmierung zur

Auslegung von RIM-Werkzeugen

1988 Luftbeladung beim RIM

1988 Einfluss der Temperatur

auf die PUR-Formteilfertigung

2015 TP-Einleger als

Trennschichten

2014 Endlosfaserverstärkte

Hohlkörper mit PUR-GIT

*unzureichende Daten vor 1980

IKV Forschungshistorie im Bereich PUR-

Verarbeitung seit 1980*

Öffentliche Forschungsprojekte: 42

Dissertationen (seit 1970): 23

Master/Diplom/Bachelor/Studienarbeiten: > 100

2014 Trennfreundliche

PUR-System

2014 Pultrusion mit PUR

2014 Gasgegendruck zum

physikalischen Schäumen


Fazit und Ausblick


PUR als Matrixmaterial wird in vielfältigen Bereichen im

Automobil eingesetzt.

Das Potenzial zur Substitution herkömmlicher Werkstoffe ist

unter dem Gesichtspunkt der Leichtbauweise enorm.

Zur Herstellung von PUR-FVK-Bauteile werden je nach

Anforderung unterschiedliche Verfahren eingesetzt.

Die Wirtschaftlichkeit bestehender Prozesse kann sowohl

werkstoff- als auch anlagentechnisch gesteigert werden.

Eine angepasste Reaktionskinetik sowie optimierte

Fertigungs- und Dosierstrategien kann zu einem breiteren

Einsatz von PUR beitragen.

Die Generierung von Materialdaten für hochreaktive PUR-

Systeme ist ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung von

Bauteilen und Prozessen (Simulation).

[Porsche]

Das Institut für Kunststoffverarbeitung

Nachwuchs. Netzwerk. Innovationen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Ihre Fragen beantworte ich gerne.

Daniel Schneider, M.Sc

PUR-Technologie

Telefon: +49 (0) 241 80-93673

E-Mail: [email protected]

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