Aufgrund des Trends zu neuen Antriebsformen, zum autonomen Fahren und zum Carsharing wird sich der Automobilinnenraum künftig in einen Wohn- und Arbeitsraum mit hohem Komfort verwandeln. Darin eingesetzte Werkstoffe müssen gleichermaßen funktional, ästhetisch und leichtgewichtig sein. Für diese Anforderungen sind Kunststoffe schon seit Jahren das Material der Wahl. Endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe (Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastics, CFRTP) der Marke Maezio® von Covestro gehen noch einen Schritt weiter: Sie erlauben Gewichtseinsparungen ohne Kompromisse bei Leistung und Design.

Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelte der Werkstoffhersteller Covestro ein Premiumkonzept für den Autoinnenraum der Zukunft und präsentierte es erstmals auf der Kunststoffmesse K 2019. Teil des Konzepts ist ein modulares Tischsystem aus CFRTP, das vom Maschinen- und Prozesstechnikanbieter ENGEL Austria, der Dr. Schneider-Kunststoffwerke als TIER-Lieferant der Autoindustrie und Covestro konstruiert wurde. In einem zweiten Schritt arbeitete das Konsortium daran, eine reibungslose wirtschaftliche Fertigung des Tisches in Großserie mit serienbewährten Verfahren zu ermöglichen und das dabei gewonnene Know-how auch auf andere Anwendungen von CFRTP-Composites zu übertragen.

Extrem dünn und leicht

Die Tischplatte ist 41 cm lang und 32 cm breit, aber nur 5 bis 10 mm dünn – ähnlich wie ein schlankes Ultrabook. Sie hat in einer ersten Variante einen Sandwich-Aufbau, ist aber so gestaltet, dass sie selbst mit den Scharnieren platzsparend weggeklappt und etwa zwischen den Rücksitzen verstaut werden kann.

Die Ober- und Unterseite bestehen jeweils aus einer nur 1 mm dicken Schicht des mit Endloscarbonfasern verstärkten Polycarbonat-Verbundwerkstoffs Maezio®. Der Sandwichkern-Kern ist ein harter Polyurethan-Integralschaum niedriger Dichte auf Basis von Baydur® 20, das ebenfalls von Covestro stammt. Mit einem Gewicht von rund 690 g und einer Dicke von knapp unter 1 cm ist der Tisch extrem leicht und dünnwandig – und dennoch ausgesprochen robust: Gegenüber einem herkömmlichen Tisch dieser Größe kann er mit rund 50 Kilogramm statt 5 Kilogramm Gewicht belastet werden. In seine Composite-Oberfläche sind eine Stift- und Tablettablage integriert.

In der LIT Factory des Linz Institute of Technology (LIT) an der Johannes Kepler Universität (JKU) in Linz, Österreich, wurde dann der Fertigungsprozess entwickelt. An der Factory sind 25 Unternehmen beteiligt – darunter auch ENGEL und Covestro. Die vernetzte Lehr-, Lern- und Forschungsfabrik arbeitet daran, mit Hilfe der Digitalisierung Potenziale entlang der Wertschöpfungskette von Kunststoffen zu erschließen – von der Produktentwicklung und Verarbeitung bis hin zur Wiederverwertung im Sinne einer Kreislaufwirtschaft.

Vollautomatisierte Composite-Verformung

Im Rahmen des Projekts entstanden in der LIT Factory zwei Fertigungszellen – eine zur Umformung der Composite-Zuschnitte für die Tischoberseite und eine weitere zur Produktion des Sandwichaufbaus. Die Composite-Umformung erfolgt ähnlich wie beim organomelt-Verfahren, das ENGEL für den Composite-Leichtbau auf Thermoplastbasis in der Großserie entwickelt hat. Zur Fertigung der Tisch­oberseite wird ein Zuschnitt des Composites in einen horizontalen IR-Ofen eingelegt und auf eine Umformtemperatur über der Glasübergangstemperatur erwärmt. Nach dem Erwärmen wird das Halbzeug von einem easix Knickarmroboter zur duo 350 Spritzgießmaschine transportiert und an das geöffnete Spritzgießwerkzeug übergeben. Mit der Schließbewegung der Spritzgießmaschine wird das Composite umgeformt und anschließend abgekühlt.

Die Projektpartner hatten in dem Projekt unterschiedliche Aufgaben. Dr. Schneider entwickelte für die Composite-Umformung ein Werkzeug mit einer variothermen Temperaturführung. Sie stellt sicher, dass makellose Bauteiloberflächen resultieren. Außerdem wurde das Werkzeug so ausgelegt, dass sich der Insert während der Verformung gleichmäßig ohne Faltenbildung an die Werkzeugwände legt.

Kernaufgaben von ENGEL waren das materialgerechte Aufheizen und die Handhabung des biegeschlaffen Composites sowie die Umformung in der Spritzgießmaschine. So entwarf Covestro das Bauteildesign, untersuchte das Haftungsverhalten von PU-Schäumen, führte CAE-Simulationen zu neuartigen Lastfällen durch – wie etwa der Eckenverformung durch Aufstützen – und legte die belastungsgerechte Orientierung der Fasergewebelagen im Composite fest. Außerdem wurde zur Optimierung des Fertigungsprozesses die Drapierung des Composite-Inserts im Werkzeug simuliert.

Verfahrensvarianten und neue Einsatzgebiete

Nächstes Ziel der Projektpartner ist die Umstellung des Herstellverfahrens auf eine rein thermoplastische Basis, um ein gutes Recycling des Bauteils zu ermöglichen. Dazu soll der Einleger noch im Spritzgießwerkzeug im organomelt Verfahren über- und hinterspritzt werden, so dass ein One-Shot-Prozess (Hybrid Molding) resultiert. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass in den Tisch kostengünstig direkt weitere Funktionen integriert werden können – wie etwa Befestigungselemente, Halter und Scharnierkomponenten. Mechanisch besonders belastete Bauteilbereiche könnten dabei zudem mit eingelegten thermoplastischen Endlosfasertapes lokal verstärkt werden.

Mit den thermoplastischen Verbundwerkstoffen lassen sich Bauteile herstellen, die nicht nur extrem leicht, robust und langlebig sind, sondern auch neue kreative Freiräume für Produktdesigner bieten. Maezio® Produkte kommen auch in den Sitzlehnen des elektrischen Konzeptautos ENO.146 des chinesischen Autoherstellers Guangzhou Automobile Group zum Einsatz.

Großes Potenzial haben sie auch in Strukturbauteilen für Sportartikel – zum Beispiel in Schuhen, Schienbeinschonern und Fahrradpedalen – und in der Herstellung besonders dünnwandiger, aber robuster Gehäuseteile für Laptops und Smartphones.

Kontaktdaten:
Covestro Deutschland AG
51365 Leverkusen
Tel. (0214) 6009-2000
E-Mail: communications@covestro.com
Internet: www.covestro.com

ENGEL AUSTRIA GmbH
A-4311 Schwertberg
Österreich
Tel. +43 50 620-0
E-Mail: sales@engel.at
Internet: www.engelglobal.com

Dr. Schneider Kunststoffwerke GmbH
Lindenstraße 10-12
96317 Kronach
GERMANY
Telefon: +49 9261 968-1476
E-Mail: bernd.trinkwalter@dr-schneider.com
Internet: www.dr-schneider.com

Abbildungen (unten)
Abb. 1: In einer Konzeptvariante werden die einzelnen, jeweils einem Sitz zugeordneten Tische zu einem großen Tisch für zwei oder vier Personen verbunden.  Bildquelle: Covestro

Abb. 2: Die von ENGEL konzipierte Fertigungszelle zur Verformung der Composite-Inserts besteht aus einem IR-Ofen, einem easix Sechsachs-Roboter und einer duo 350 Spritzgießmaschine.  Bildquelle: ENGEL