Prof. Dr.-Ing. Ulf Breuer: Endlosfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe – ­ Wegweisende Technologie im Automobilbau

Abbildung 1: Faserverstärkte Kunst­­stoffe (FVK) bie­­ten hervorragende Leicht­­­­bau­­­ei­gen­­­­schaften, wes­­halb sie in nahezu allen Industrie­­bereichen zur Ver­­besserung der Produkt­­performance beitragen können.

Vor dem Hintergrund der weltweit fortschreitenden Industrialisierung und Urbanisierung sind umweltverträgliches und nachhaltiges Wirtschaften und Innovationen in den Schlüsselbereichen die zentralen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Das in der Forschungsinitiative von Rheinland-Pfalz verankerte Thema „Komplexe Materialien und neue Werkstoffe“ ist dafür ein wichtiger Schwerpunkt. Fortschrittliche ­faserverstärkte Thermoplaste sind der Schlüssel zu entscheidenden Innovationen im ­­­Transport- und Verkehrswesen, in der Energiewirtschaft und im Gesundheitsbereich.

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden aufgrund ihres enormen Leichtbaupotenzials zunehmend in deutschen Schlüsselindustrien eingesetzt und leisten beispielsweise im Zusammenhang mit innovativen Mobilitätskonzepten entscheidende Beiträge zur Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit der Produkte. Die derzeit vorrangig eingesetzten duroplastischen faserverstärkten Kunststoffe erfordern allerdings aufwändige, meist unwirtschaftliche Fertigungsprozesse, sind nicht schmelzbar und daher nur sehr eingeschränkt rezyklierbar. Inno­vative thermoplastische faserverstärkte Kunst­­­stoffe, sogenannte thermoplastische Composites (TPC), überwinden diese Nachteile und erlauben es, geltende konstruktive Grenzen konventioneller Werkstoffe zu überwinden und die Leistungsfähig­keit einer Vielzahl von Produkten unterschiedlich­s­­ter Anwendungsbereiche entscheidend zu verbessern. Die volle Ausschöpfung dieses Poten­zials bedingt allerdings noch weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.

Abbildung 2: Mechanische Leistungsfähigkeit von FVK im Vergleich (links), Darstellung der möglichen Gewichtsersparnis für CFK (rechts).

Deutlich wird der mögliche Entwicklungs­sprung mit TPC, wenn die mechanische Lei­stungs­­fähigkeit dieser Werkstoffe im Vergleich zu klassischen Leichtbau-Werk­stoffen betrachtet wird. In Abbildung 2 ist deutlich zu sehen, dass bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) bedingt durch ihre hohen Steifigkeiten und Festigkeiten sowie die geringere Ma­­terialdichte erheblich leistungsfähiger sind als hochfeste Metalle. Dadurch kann bei Bauteilen Masse eingespart werden, insbesondere dann, wenn die Fasern quasi endlos vorliegen, also in ihrer Länge nur durch die Bauteilgröße selbst begrenzt sind, und wenn die Möglichkeiten zur Aus­richtung der Fasern entsprechend der Bau­­teil­belastung richtig ausgeschöpft werden. Basierend darauf kann ein Bauteil aus CFK je nach Anwendungsfall nur noch ein Viertel der Stahlausführung wiegen. Aus diesem Mas­­se­vorteil resultieren im Transportwesen Kraft­­stoff­ersparnisse, geringere Emissionen und Reich­weitenvorteile.

Abbildung 3: Globaler Bedarf an carbonfaserverstärktem Kunststoff (in 1000 t) *Schätzung Quelle: CCeV Marktbericht 2015.

Treiber der Entwicklung ist u. a. der zunehmende FVK-Einsatz in der Automobilherstellung. BMW setzt FVK nicht nur für Elektrofahrzeuge, sondern auch bereits in der Großserie (7er-Reihe) ein. Auch Audi, VW, Porsche und andere OEMs bauen sukzessive ihre Leichtbauzentren aus, um die FVK-Technologie vermehrt in die Groß­­serie zu bringen. Für die Zulieferer­in­dus­­­­trie ist ebenfalls ein sehr großes Wachstums­­­poten­­zial gegeben, da Zu­­lieferer mit neuen Produktions­tech­nolo­gien ihr Produktport­folio erweitern können. Auch der Wind­ener­­gie­markt führt zu einem Ent­­wick­­lungs­­­schub. Er zeigt stabile Wachs­­tums­­raten und Deutschland ge­­hört zu den Haupt­­exporteuren von Wind­­kraftanlagen.

Abbildung 4: Spriform-Träger für den Einsatz im Automobil, eine gemeinsame Entwicklung von Audi AG, Bond-Laminates GmbH, Jacob Plastics GmbH, KraussMaffei Technologies GmbH, LANXESS Deutschland GmbH und dem Institut für Verbundwerkstoffe in Kaiserslautern; BMBF Förderkennzeichen 02PU2351

Trotz dieser beeindruckenden Zahlen stößt der Einsatz von FVK an Grenzen, welche sich vor allem daraus ergeben, dass FVK in der Serienferti­­gung meist auf duroplastischen Kunst­stof­­fen basieren, die chemisch irreversibel vernetzen. Duromere sind am Markt etabliert, aber eine breitere Ver­wen­­dung im Massenmarkt ist gehemmt u.a. durch

• hohe Kosten endlosfaserverstärkter Halbzeuge,
• vergleichsweise lange Taktzeiten und
• stark eingeschränkte werkstoffliche Wiederverwendbarkeit.

Heute werden trotz technologischer Über­legenheit gegenüber konventionellen Werkstoffen FKV oft nicht ver­­wendet, da ihr Einsatz schlicht noch nicht wirtschaftlich sinnvoll ist. Ins­be­sondere die hohen Kosten für die Her­­stellung müssen deswegen reduziert werden. Der größte Forsch­ungs­bedarf wird laut einer ak­­tuellen Studie des VDI in den Bereichen Recy­­cling, Sim­ulation, De­­sign, Verbindungs­tech­­nik, Füge­fläch­en­­­­be­­handlung und der zerstörungs­frei­­en Quali­täts­sicherung ge­­sehen.

Abbildung 5: Thermoplast-Tapelegekopf, mit dem eine optimale Bauteilfertigung mit Endlosfaserverstärkung möglich ist (Institut für Verbundwerkstoffe, ­Kaiserslautern)

Abbildung 6: Effiziente Fügetechnik auf Basis des voll automatisierten Induktionsschweißens (Institut für Verbundwerkstoffe, Kaiserslautern)

Thermo­plastische Com­­­­po­sites (TPC) sind der Schlüssel zur vollen Aus­­schöpf­ung des tech­­ni­schen Po­­­­­ten­zi­als. Im Ge­­gen­­­satz zu Duro­pla­­s­ten ist bei ihnen durch Wärme­ein­­­bringung die Rückführung in einen umformbaren oder in einen schmelzflüs­­­­­sigen Zu­­stand möglich. Daher sind sie:

• schmelzbar,
• schweißbar,
• umformbar,
• werkstofflich rezyklierbar und
• in sehr kurzen Taktzeiten und damit in Großserie herstellbar.

Thermoplastische Halbzeuge lassen sich außerdem zeitlich unbegrenzt lagern. Zusammen mit den oben genannten Vorteilen eröffnen sich daraus Möglich­­keiten zu wirtschaftlich sehr attraktiven Verarbeitungs­ver­­fahren und -kombinationen. Dennoch sind sie derzeit erst in vergleichsweise wenigen Anwen­dun­gen in Massenmärkten verfügbar. Mit den richtigen Entwicklungsansätzen allerdings, wie sie in Rheinland-Pfalz verfolgt werden, können die noch offenen Forschungs- und Entwicklungslücken ge­­schlossen werden. So überwiegen die Vorteile, TPC werden auf breiter Basis gegenüber konventionellen Werkstoffen konkurrenzfähig und stehen für umweltfreundliche, sparsame, leichte und sichere Automobile der Zukunft zur Verfügung.

Prof. Dr.-Ing. Ulf Breuer
Der Autor hat Maschinenbau in Darmstadt, Manchester und Kaiserslautern studiert und 1997 promoviert. Anschließend war er für das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR und für Airbus tätig. Seit 2010 ist er Professor an der Technischen Universität Kaiserlautern und Geschäftsführer der Institut für Verbundwerkstoffe GmbH.