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T-RTM fit für die Großserie

19.10.2016
– KraussMaffei präsentiert auf der K 2016 Thermoplastisches Resin Transfer Molding (T-RTM)
– Kurze Zykluszeit für Automobil-Demonstrator in Hybrid-Bauweise aus Fasern, Kunststoff und Metall
– Neue Dosieranlage erlaubt bedarfsorientierte Materialbereitstellung
– Konturnahe Fertigung (Near-Net-Shape) minimiert Material- und Prozesskosten
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(München, 19. Oktober 2016) Endlosfasern, kurze Zykluszeiten, Schweiß- und Recyclingfähigkeit. Das Verfahren T-RTM von KraussMaffei vereint die Vorteile von Reaktionstechnik, thermoplastischen Werkstoffen und der Formgebung im Spritzpress-Verfahren (Resin Transfer Molding, RTM) – und bietet deshalb die perfekte Kombination für den modernen Leichtbau. KraussMaffei zeigt auf der K 2016 in Düsseldorf (19. bis 26. Oktober, Halle 15, Stand B27/C24/C27/D24) die Herstellung eines automobilen Faserverbund-Strukturbauteils mit Metalleinlegern unter seriennahen Bedingungen. Mehrmals täglich entstehen am Messestand Rahmen für die Dachschale des Sportwagens Roding Roadster R1.

Serienproduktion im Fokus

„Der Roadster-Dachrahmen basiert auf einer hybriden Bauweise aus Fasern in Verbindung von Kunststoff und Metall. Dabei lassen sich sowohl Glas- als auch Carbonfasern sicher verarbeiten. Bei der Herstellung auf dem KraussMaffei Messestand der K 2016 dauert der Vorgang nur wenige Minuten. Die Anlage demonstriert damit die Machbarkeit der automatisierten und zugleich prozesssicheren Integration von metallischen Einlegern in T-RTM Bauteile", erklärt Erich Fries, Leiter der Business Unit Composites/Oberflächen bei KraussMaffei.

Wie komplex und zugleich zykluszeitoptimiert der Prozess gestaltet ist, zeigen die einzelnen Schritten. Zunächst werden die vier Sub-Preforms sowie der Aluminium- und Stahlinsert auf einer Lehre positioniert. Im Anschluss erfolgt das Vernieten des Stahleinlegers mit einem der Sub-Preforms. Ein Handlingsroboter platziert den Aluminiumwinkel und die vorkonfektionierten Hybridbauteile dann in dem T-RTM-Werkzeug. Hier erfolgen die Injektion des Caprolactam und die anschließende chemische Reaktion, in der das Material zum Thermoplast Polyamid 6 aushärtet. Nach Ablauf der Reaktionszeit entnimmt der Handlingsroboter das fertige Bauteil. Eine aufwendige Nachbearbeitung wie das Fräsen des Randbereichs ist aufgrund des sogenannten Near-Net-Shape Ansatzes, also einer konturnahen Fertigung, nicht notwendig.

Bedarfsorientiertes Aufschmelzen des Materials

KraussMaffei agiert als Systemlieferant der kompletten Produktionszelle. Ein wichtiger Bestandteil ist die neue Dosieranlage RimStar 8/8 T-RTM, die den Aufschmelzprozess bedarfsgerecht (on demand) gestalten kann. Es wird jeweils nur das Material für wenige Schüsse aufgeschmolzen. Damit lässt sich eine Materialalterung der beiden Caprolactam Komponenten (Caprolactam-Grundstoff und Aktivator beziehungsweise Katalysator) durch eine minimierte thermische Belastung der Schmelze verhindern. Die neue Dosieranlage bietet zudem eine besonders präzise Temperaturführung vom Aufschmelzen bis zur Injektion in die Kavität. „In Summe sorgen diese Eigenschaften für eine konstant bessere Produktqualität und unterstreichen damit die Serientauglichkeit", so Fries.

Die neue Dosieranlage erlaubt die Verarbeitung bei Temperaturen von bis zu 180 °C und ist somit unter anderem für Polyamid 6 ideal geeignet. Optimal ausgelegt für die hohen Temperaturen sind auch der Hochdruckinjektionskopf MK 10-2K mit einem Schussgewicht von 250 g bei 100 g/s sowie die Hochdruckinjektionspumpe, die KraussMaffei dank seiner eigenen Pumpenfertigung maßgeschneidert gestalten kann. Für ein präzises und zugleich platzsparendes Handling des T-RTM-Werkzeugs sorgt ein KraussMaffei Kompaktformenträger des Typs FTR mit einer Schließkraft von 3800 kN.

Vorteile bei Fasergehalt, Materialeinsatz, Nachbearbeitung

Die Vorzüge von T-RTM erschließen sich im Vergleich mit den Nachbarverfahren der Kunststoffverarbeitung, etwa dem bekannten RTM mit Epoxidharz oder Polyurethan (PUR). Dank seiner niedrigen Viskosität von nur fünf Millipascalsekunden (mPA·s) – ähnlich wie Wasser – durchdringt das Matrixmaterial Caprolactam das Fasergelege auch bei geringen Werkzeug-Innendrücken. So genügt bei der Messeanwendung eine Schließkraft von circa 3500 kN, was geringe Investitions- und Energiekosten bedeutet. Zudem ermöglicht die gute Fließfähigkeit die Realisierung niedriger Mindestwandstärken und hoher Faservolumengehalte um die 60 Prozent.

Durch einen sogenannten Near-Net-Shape Ansatz, also einer konturnahen Fertigung, reduziert sich die Materialeinsatzquote von Kunststoff und den teuren Carbonfasern. Das reduziert die Materialkosten. Zudem minimieren sich auch die Nachbearbeitungsschritte. Während bei nicht endkonturnahen Prozessen das Bauteil zum Beispiel durch Fräsen vom Randbereich getrennt werden muss, lässt sich bei diesem Bauteil zum Beispiel eine Stanzlösung realisieren. Neben dem Near-Net-Shape-Ansatz führt das Multi-Preformkonzept zu einer weiteren Reduktion des Faserverschnittes und ermöglicht zudem eine (sektionsweise) belastungsgerechte Faserarchitektur.

Gegenüber den dreidimensional vernetzenden Duroplasten bieten die kettenförmig aufgebauten Thermoplaste zudem ein Alleinstellungsmerkmal: Sie lassen sich erneut erwärmen und umformen, was sie schweiß- und recyclingfähig macht. Das Material des Dachrahmens kann regranuliert und mit seinem Faseranteil für die Herstellung von Teilen zum Beispiel im Spritzgießverfahren genutzt werden.

Hohe Schlagzähigkeit und duktileres Bruchverhalten

Auch die mechanischen Eigenschaften von PA6 sind für Strukturbauteile interessant. Der Thermoplast verfügt über eine höhere Schlagzähigkeit und zeigt ein duktileres Bruchverhalten als Duroplaste, das heißt vor einem Bruch können Kräfte durch die Verformung des Materials absorbiert werden.

Vergleicht man T-RTM mit dem Spritzgießen, dem klassischen Einsatzgebiet von Thermoplasten, so zeigt es seine Vorteile ebenfalls beim hohen Fasergehalt sowie der niedrigen Viskosität, durch die Teile mit sehr geringen Wandstärken hergestellt werden können.

„T-RTM stellt für Strukturbauteile eine sinnvolle Ergänzung zu bisher bekannten RTM-Technologien dar und KraussMaffei nutzt hier seine umfassende Expertise in der Kunststoffverarbeitung. Als einziger Anbieter am Markt fertigt KraussMaffei sowohl Misch- und Dosiertechnik wie auch Pressen kleiner 1000 Tonnen im eigenen Haus und kann so die Entwicklung des gesamten Systems vorantreiben," so Fries.

An der Fertigung des Technologiedemonstrators Roding Roadster R1 waren neben KraussMaffei folgende Entwicklungspartner beteiligt: Forward Engineering (Bauteildesign, Hybridkonzept), Alpex Technologies GmbH (T-RTM-Werkzeug), Dieffenbacher (Herstellung der Preforms/Handling), Saertex (Fasergelege), Henkel (Verklebung), Handtmann (Aluminium-Einleger), TUM / LCC (Faserauswahl) und Keller (Absaugtechnik).

KraussMaffei auf der K 2016
Halle 15, Stand B27/C24/C27/D24

 
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