Anwendung des Polyurethan-Sprühverfahrens auf die großserientaugliche Fertigung von endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen mit Sandwichaufbau für IT-Transportsysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Erkenntnis-Transferprojektes wurde in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Rühl Puromer GmbH, Friedrichsdorf, PARAT Beteiligungs GmbH, Neureichenau, KraussMaffei Technologies GmbH, München und Greiner Perfoam GmbH, Enns, Österreich, ein Fertigungsprozess zur Herstellung von Sandwichbauteilen mit faserverstärkten Decklagen und einem PUR-Hartschaumkern analysiert. Ziel des Forschungsprojektes war dabei, die Erkenntnisse zur Herstellung monolithischer FVK-Bauteile auf Basis einer PUR-Sprühimprägnierung mit nachgeschaltetem Nasspressprozess zu nutzen und um einen prozessintegrierten Schäumprozess zur Herstellung des Kernmaterials des Sandwichbauteils zu erweitern. Dabei sollten die beiden Decklagen des Sandwichbauteils zunächst im PUR-Sprühverfahren vorimprägniert und anschließend der Sandwichverbund im nachgeschalteten Nasspressprozess mit integrierter Schaumkernausformung hergestellt werden. Wesentliche Forschungsfragen behandelten dabei die Entwicklung einer Prozessführung zur Erzeugung einer homogenen Schaumkernmorphologie bei gleichzeitig guter Imprägnierqualität der glasfaserverstärkten Decklagen unter Berücksichtigung der Einflüsse der Ausgangsmaterialien (textile Halbzeuge, PUR-Matrix und PUR-Schaum-Systeme) und der Vernetzungskinetik der verarbeiteten PUR-Systeme. Darüber hinaus sollte der Zusammenhang zwischen Prozessführung sowie -parametern und resultierender Material- sowie Bauteileigenschaften (mechanische Eigenschaften, Oberflächenqualität) bestimmt und quantifiziert werden. Dabei wurden zwei Prozessvarianten des Nasspressprozesses mit integrierter Schaumkernausformung untersucht. In der Prozessvarianten 1 wurde während des Nasspressprozess zunächst eine druckgeregelte Homogenisierung und Kompaktierung der Deckschichten durchgeführt, während die das Kernmaterial noch ungeschäumt vorliegt. Anschließend wurde durch ein langsames weggeregeltes Auffahren der Presse die Schäumreaktion initiiert und somit der Schaumkern ausgebildet. In Prozessvariante 2 wurden in das Nasspresswerkzeug Abstandshalter integriert, mit deren Hilfe eine definierte Kavitätshöhe bzw. Bauteildicke eingestellt werden kann. Während des Pressvorgangs wird über die Presse kein aktiver Pressdruck aufgebracht. Der zur Kompaktierung und Homogenisierung der Decklagen benötigte Werkzeuginnendruck, wird während des Nasspressvorgangs durch die Schäumreaktion des Kernmaterials erzeugt. Über die Presse wird währenddessen so viel Gegendruck aufgebracht, dass das Werkzeug vom Schäumdruck nicht aufgedrückt wird. Mit dieser Variante ist es möglich gewesen plattenförmige Bauteile mit homogener Schaummorphologie und einer guten makroskopischen Imprägnierqualität der Decklagen herzustellen. Dabei konnte ein minimales Raumgewicht der Schaumkerne von 260 kg/m³ erzielt werden. Ein weiteres Teilziel des Projektes war die Herstellung von Sandwichbauteilen mit Oberflächenqualitäten die eine Anwendung im Sichtbereich ermöglichen. Dies konnte nicht umgesetzt werden, da Oberflächendefekte an den hergestellten Sandwichbauteilen vorlagen. Es konnte jedoch nachgewiesen werden, dass die Oberflächenqualität durch eine nachgeschaltete Oberflächenmodifizierung so veredelt werden kann (Lackierung, Folienkaschierung), dass eine Anwendung im Sicherbereich möglich ist. In dem Forschungsvorhaben sollte außerdem die für die plattenförmigen Sandwichbauteile entwickelte Prozesstechnik auf die Herstellung einer dreidimensionalen Demonstratorgeometrie in Form einer Kofferhalbschale übertragen werden. Dieser Transfer ist grundsätzlich gelungen, jedoch konnten keine Bauteile hergestellt werden deren Qualitätsanforderungen einer industriellen Anwendung gerecht werden würden. Die hergestellten Bauteile weisen sowohl Defizite in der Homogenität der Schaumkernmorphologie als auch der Imprägnierung der Decklagen auf. Außerdem war eine Imprägnierung der Randbereiche der Flanken der Halbschale nicht möglich. Mithilfe einer Wirtschaftlichkeitsanalyse konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Prozesstechnologie aus wirtschaftlicher Sicht Vorteile gegenüber über der Verwendung von vorkonfektionierten PVC-Hartschaumkernen aufweist. Für den Transfer auf eine industrielle Anwendung reicht die Bauteilqualität der hergestellten FVK-Sandwichbauteile jedoch nicht aus. Zum einen ist dazu das minimal erreichbare Raumgewicht zu hoch, bei dem eine ausreichende Kompaktierung und Homogenisierung der Decklagen gewährleistet ist. Zum anderen konnte speziell bei den 3D-Sandwichbauteilen keine ausreichende Imprägnierung der Decklagen erzielt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Großserientaugliche Herstellung von Sandwichbauteilen auf Polyurethanbasis. Plastverarbeiter 65 (2014) 12, S. 62
Riedel, R.
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Strukturelle Sandwichbauteile mit prozessintegriert ausgeschäumtem Schaumkern. Fachmagazin für die Polyurethanindustrie 91 (2015) 5
Hopmann, Ch.; Karatzias, C.; Riedel, R.
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Analysis of the integrated production of sandwich parts made of PU foam core and continuous fiberreinforced top layers in a combined spray impregnation and wet pressing process. Conference Proceedings of The Society for the Advancement of Material and Process Engineering (SAMPE) North America 2016, Long Beach, USA, 23.-26.05.2016
Hopmann, Ch.; Karatzias, C.; Riedel, R.; Boettcher, A.; Fischer, K.
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Neue Verarbeitungstechnologien für faserverstärkte Polyurethane. Integrative Kunststofftechnik 2016, 28. Internationales Kolloquium Kunststofftechnik, 24. – 25. Februar 2016, Aachen: Shaker Verlag, 2016 – ISBN: 978-3-8440-4033-3
Hopmann, Ch.; Liman, U.; Schneider, P.; Riedel, R.; Kilian, B.; Ehbing, H.
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Analysis of continuous fiber reinforced 3D sandwich parts with integrated foaming core. Conference Proceedings of The Society for the Advancement of Material and Process Engineering (SAMPE) North America 2017, Seattle, USA, 22.-25.05.2017
Hopmann, Ch.; Wagner, R.; Uelpenich, A.; Boettcher, A.; Fischer, K.
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One step production of Highperformance Sandwich Components. Cellular Polymers 36 (2017) 3, S. 135-150
Hopmann, Ch.; Wagner, R.; Boettcher, A.; Fischer, K.
