Konzeptionierung und Verfahrensanalyse eines neuartigen Pressverfahrens zur Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile in Großserie

Aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften und geringen Dichte bieten die FVK gerade bei dynamisch belasteten Bauteilen besondere Vorteile. Durch den Einsatz von FVK anstelle metallischer Werkstoffe kann die Masse der Bauteile reduziert und damit Energie zur Beschleunigung und Bewegung der Bauteile eingespart werden. Bei Kraftfahrzeugen (KFZ) werden daher metallische Werkstoffe aktuell vermehrt durch FVK substituiert. Dies soll zu einer Verringerung des Fahrzeuggewichts und zu einer Reduzierung des Energie und Kraftstoffbedarfs führen. Durch die Reduzierung des Gewichts sollen Kosten für Kraftstoff eingespart, die Emission von CO2 reduziert, die Nutzlast gesteigert und der Fahrspaß durch verbesserte Fahrdynamik erhöht werden.

Um einen breiten Einsatz von Strukturbauteilen aus FVK (struktureller FVK) in der automobilen Großserie zu erreichen, sind hochproduktive Fertigungsverfahren erforderlich, mit denen mehr als 10.000 Bauteile pro Jahr auf einer einzelnen Produktionslinie gefertigt werden können. Bisher stehen solche Verfahren jedoch nicht zur Verfügung.
Daher wurden im Rahmen der Forschergruppe 860 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) neuartige, automatisierte Prozessketten zur Fertigung nachbearbeitungsfreier, belastungsgerecht endlosfaserverstärkter Strukturbauteile mit einem hohen Faservolumengehalt von über 50 % in Zykluszeiten unter 10 Minuten betrachtet. Dies beinhaltete die Fertigungsstufen „Preformherstellung“, „Imprägnierung“ und „Formen und Vernetzen“.
Grundlage dieser Prozessketten ist die Trennung und Parallelisierung der Prozessschritte „Imprägnieren“ und „Formen und Vernetzen“. Dabei werden textile Halbzeuge zunächst in einem ersten Prozessschritt mit Epoxid- oder Polyurethanharz imprägniert und dann in einem zweiten Prozessschritt mit Hilfe eines Pressprozesses zum Bauteil ausgeformt und vernetzt.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Verfahrensanalyse des Prozessschrittes „Formgebung und Vernetzung“ durchgeführt. Dazu wurden ein neuartiges Werkzeug- und Prozesskonzept erarbeitet und praktische Analysen durchgeführt. Durch die Ergebnisse der Analysen und daraus abgeleitete Optimierungen konnten eine robuste Werkzeug- und Prozesstechnologie sowie Verarbeitungsvorschriften für den Prozessschritt „Formgebung und Vernetzung“ bereitgestellt werden. Durch die Erkenntnisse dieser Arbeit wurde eine Fertigung qualitativ hochwertige Bauteile mit Polyurethan- oder Epoxidmatrix in großserientauglichen Zykluszeiten unter 10 Minuten ermöglicht.