Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erhöhung der Bauteilkomplexität und Funktionsintegration hochbelastbarer endlosfaserverstärkter Strukturbauteile mit duroplastischer Matrix durch Funktionalisierung im Duroplast-Spritzgussverfahren

Aufgrund der höheren Temperaturbeständigkeit und geringeren Kriechneigung gegenüber Thermoplasten werden für die Herstellung von endlosfaserverstärkten Kunststoffbauteilen für sicherheitsrelevante Anwendungen sowie Anwendungen mit erhöhten Temperaturanforderungen duroplastische Matrices bevorzugt. Neben der wirtschaftlichen Fertigung stellt insbesondere die Funktionsintegration zur Erhöhung der Bauteilkomplexität (z.B. Rippen, Versteifungsstrukturen, Krafteinleitungselemente) eine Herausforderung dar.

Komplexe, funktionsintegrierte FVK-Leichtbauteile auf Basis duroplastischer Matrices lassen sich derzeit nur mit Fertigungsverfahren für kurz- oder langfaserverstärkte Formmassen wie z.B. dem Spritzgießen oder Fließpressen von BMC und SMC herstellen. Allerdings sind die mechanischen Eigenschaften bei diesen Verfahren aufgrund niedriger Faservolumengehalte (FVG) und limitierter Faserlängen begrenzt. Im geplanten Forschungsvorhaben soll daher erstmals eine Erhöhung der Bauteilkomplexität und Funktionsintegration von hochbelastbaren endlosfaserverstärkten Bauteilen mit duroplastischer Matrix (gerichtete Faserverstärkung, hoher FVG, hohe mechanische Eigenschaften) durch Funktionalisierung im Duroplast-Spritzgussverfahren (hohe Bauteilkomplexität, hohe Funktionsintegration) ermöglicht werden. Die Forschungsergebnisse hinsichtlich Prozesseinflussgrößen, erzielbarer Bauteilkomplexität, erzielbarer mechanischer Eigenschaften, realisierbarer Haftverbundeigenschaften sowie eine technologische und wirtschaftliche Bewertung der Technologie stellen kunststoffverarbeitenden KMU aus unterschiedlichen Branchen (u.a. Transport-, Automobil-, Luftfahrtindustrie, Energiesektor) sowie Werkzeugbauunternehmen, Ingenieurdienstleistern und Materialherstellern das benötigte Basiswissen bereit, um bestehende Produkte aus BMC und insbesondere SMC zu ersetzen, neue Anwendungsbereiche zur Funktionalisierung von FVK-Bauteilen zu erschließen und somit ihre Wettbewerbsfähigkeit zu steigern.

Ergebniszusammenfassung:

Mittels der Funktionalisierung durch das Duroplast-Spritzgieß-Verfahren konnte erstmals eine Funktionsintegration von endlosfaserverstärkten duroplastischen Leichtbauteilen unter Erreichung hoher Scherfestigkeiten von ca. 32 MPa des betrachteten Prüfkörpers ermöglicht werden. Die Haftverbundeigenschaften sind dabei vergleichbar mit denen einer strukturellen Klebung.

Die Untersuchungen des Vorhabens zeigen, dass der entstehende duroplastisch-duroplastische Haftverbund maßgeblich auf spezifischen Adhäsionstheorien basiert und von einer Vielzahl von Parametern wie der Materialkompatibilität der Fügepartner sowie der Oberflächentopographie der endlosfaserverstärkten Komponente beeinflusst wird. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheit der FVK-Trägerplatten (mechanische Adhäsion) und der ermittelten Scherfestigkeit konnte nicht festgestellt werden.

Durch eine geeignete Plasmabehandlung zur Verbesserung des Benetzungsverhaltens der FVK-Trägerplatten können die mechanischen Haftverbundeigenschaften gesteigert werden, allerdings ist dieser Effekt abhängig von der Art des Plasmaverfahrens sowie vom verwendeten Verstärkungshalbzeug und der eingesetzten Strukturierungsart.

Die entwickelte Technologie stellt Unternehmen eine alternative Strategie zur Funktionsintegration bei duroplastischen Leichtbauteilen neben der stoffschlüssigen Funktionalisierung mittels Kleben bereit. Die Technologie kann dabei prinzipiell für alle Flüssigimprägnierverfahren eingesetzt werden.