Entwicklung einer serientauglichen Fertigung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen mit transparenter Polyurethanmatrix am Beispiel einer CFK-Sitzlehnenschale mit Sichtoberfläche
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde in Zusammenarbeit mit den Konsortialpartnern BMW und MCT und dem assoziierten Partner SGL ein Fertigungsprozess zur Herstellung von endlosfaserverstärkten CFK Bauteilen mit Sichtoberfläche entwickelt. Im Vergleich zur industriell etablierten Herstellung solcher Bauteile in einem HD RTM Prozess mit nachgeschalteter Lackierung wurde im Erkenntnis-Transferprojekt ein Pressprozess mit integriertem Beschichtungsprozess entwickelt. Ziel des Forschungsprojektes war dabei die Erkenntnisse zur Herstellung monolithischer CFK-Bauteile auf Basis einer PUR-Sprühimprägnierung mit nachgeschaltetem Nasspressprozess zu Nutzen und um einen prozessintegrierten Beschichtungsprozess zur Erzielung hoher Oberflächenqualitäten zu erweitern. Wesentliche Forschungsfragen behandelten dabei die Entwicklung einer Prozessführung zur Erzeugung einer Oberflächenschicht mit geringer Oberflächenwelligkeit unter Berücksichtigung der Einflüsse der Ausgangsmaterialien (textile Halbzeuge, Bindersysteme) und der Vernetzungskinetik der verarbeiteten PUR-Systeme. Darüber hinaus sollte der Zusammenhang zwischen Prozessführung und Trennmittelablagerungen sowie die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und resultierender Material- und Bauteileigenschaften bestimmt und quantifiziert werden. Dabei wurden drei Prozessvariationen zur Erzeugung einer Oberflächenschicht aus reinem Polyurethan untersucht. Die Oberflächenschichten bestanden dabei in einer Prozessvariation aus dem gleichen PUR wie die Matrix der faserverstärkten Bauteilschicht (Prozessvariation 1) und in den zwei anderen Prozessvariationen aus einem aliphatischem PUR System, das speziell für Oberflächenbeschichtungen entwickelt wurde (Prozessvariation 2 und 3). Aufgrund des limitierten erzielbaren FVG (≈ 40 Vol.-%) in der faserverstärkten Bauteilschicht wurde die erste Prozessvariante nach den Versuchsanalysen an Plattenbauteilen nicht weiter betrachtet. Die zweite und dritte Prozessvariante zur Erzeugung einer aliphatischen Oberflächenschicht basieren auf einem zweistufigen (Prozessvariante 2) und einem einstufigen Pressprozess (Prozessvariante 3). In der Prozessvariante 2 wird zunächst die faserverstärkte Bauteilschicht in einem Nasspressprozess hergestellt und in einem nachgeschalteten zweiten Pressschritt das Oberflächensystem appliziert und ausgehärtet. In der Prozessvariante 3 wird die faserverstärkte Bauteilschicht im nicht ausgehärteten Zustand mit dem Oberflächensystem beschichtet und beide PUR-Systeme in einem Nasspressprozess zusammen ausgehärtet. Hinsichtlich der resultierenden Oberflächenqualität (basierend auf der durchschnittlichen Wellentiefe an der Bauteiloberfläche (Wz)) können in beiden Prozessvarianten Bauteileigenschaften erzielt werden, die einem lackierten Vergleichsbauteil des Projektpartners BMW entsprechen. Für die Prozessvariante 2 wird dabei keine Abhängigkeit der Oberflächenwelligkeit von der Oberflächenschichtdicke erkannt. Für die Prozessvariante 3 ergeben sich allerdings durch die Ondulation der obersten Faserlange lokal verschiedene Oberflächenschichtdicken, die die erzielte Oberflächenwelligkeit direkt beeinflussen und somit zu hohen lokalen Schwankungen der Oberflächenqualität führen. Aufgrund wesentlicher Forschungsfragen bezüglich der Abbildung komplexer geometrischer Strukturen in einem Nasspressprozess, fand im Forschungsvorhaben kein Transfer der Erkenntnisse auf eine CFK-Sitzlehnenstruktur statt. Zur gezielten Analyse der Forschungsfragen und zur Erweiterung der Anwendbarkeit der Erkenntnisse auf andere Strukturen wurden stattdessen zwei generische Demonstratorgeometrien auf Basis der geometrischen Anforderungen einer Sitzlehenschale abgeleitet. Der Transfer der Technologie auf die zwei generische Demonstratorgeometrien (Schwellergeometrie, Dickensprunggeometrie) zeigt dabei, dass für die dreidimensionalen Strukturen nur mit der Prozessvariante 2 eine Verringerung der Oberflächenwelligkeit im Vergleich zum unbeschichteten Bauteil erzielt werden kann. Die wirtschaftliche Bewertung der Prozessvariante 2 anhand einer CFK Sitzlehnenschale im Vergleich mit einem industriell etablierten, epoxidharzbasierten HD RTM Prozess mit nachgeschalteter Lackierung zeigt außerdem, dass ab Stückzahlen von 15.000 Stk./a mit dem im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelten zweistufigen Pressprozess geringere Bauteilkosten erzielt werden können. Der entwickelte Herstellungsprozess zur Fertigung von endlosfaserverstärkten CFK Sichtbauteilen mit hohem FVG in einem zweistufigen Pressprozess (Prozessvariante 2) stellt damit eine wirtschaftliche und technologische Alternative zu den industriell etablierten Fertigungstechnologien auf Basis nachgeschalteter Lackierprozesse dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Herstellung von CFK-Bauteilen mit transparenter Oberflächenschicht in der PUR-Sprühimprägnierung. Aachener Karosserietage IKA, Aachen, 2016
Hopmann, C.; Karatzias, C.; Wagner, R.
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Production of CFRP Components with Clear Surface Layer in the PU Spray Impregnation Process. 32nd International Conference of the Polymer Society, Lyon, France, 2016
Hopmann, C.; Karatzias, C.; Wagner, R.; Boettcher, A.; Fischer, K.
