AOC, Zoltek, Astar entwickeln neuartiges CF-SMC für Hochleistungs-Automobilteile im industriellen Maßstab

Im Rahmen des von der britischen Regierung finanzierten Forschungsprojekts TUCANA hat die AOC AG (Schaffhausen, Schweiz) mit Astar (Biskaya, Spanien) eine neue Sheet Moulding Compound (SMC) auf Basis der Daron-Polyurethan-Hybridtechnologie entwickelt, die die Herstellung von geschnittenem Kohlefaser-Formteile im industriellen Maßstab mit der mechanischen Leistung von Epoxidharz CF-SMC und der einfachen Herstellung von ungesättigtem Polyesterharz (UPR) und Vinylesterharz (VER) SMC. Zusammen unterstützt das CF-SMC die Entwicklung von strukturellen Automobilteilen mit geringer Dichte, E-Beschichtungsfähigkeit und niedrigen Emissionen, während die für Verbundwerkstoffe typische Designflexibilität beibehalten wird. Es wird auch in Kombination mit der kostengünstigeren Split-Tow-Faser von Zoltek (St. Louis, MO, USA) verwendet.

„In den letzten Jahren sind neuartige SMC-Materialien auf der Basis von Kohlefasern kommerziell verfügbar geworden und werden nun im vollen industriellen Maßstab eingesetzt, um ultraleichte Strukturteile herzustellen, die ihre Äquivalente in Aluminium und Stahl übertreffen“, erklärt Ron Verleg, leitender F&E-Wissenschaftler bei AOC. „Bei dem SMC-Verfahren können mehrere duroplastische Harzsysteme verwendet werden, wobei jedes seine spezifischen Vor- und Nachteile hat.“

UPRs sind laut AOC das Arbeitspferd für SMC-Anwendungen, bieten gute mechanische Eigenschaften, akzeptieren hohe Füllstoffgehalte (senken die Kosten des Compounds) und fließen gut in die Formkavität. Bei Verwendung mit Kohlefasern führt die unvollständige Benetzung und die schlechte Haftung von UPR auf der Kohlefaseroberfläche jedoch zu Formteilen mit geringen mechanischen Eigenschaften.

Alternativ werden VERs hauptsächlich verwendet, um höhere mechanische Eigenschaften im Kohlefaserformteil zu erreichen, obwohl die Verdickung von VERs auf das erforderliche Niveau für das SMC-Formen eine Herausforderung darstellt und die Viskosität tendenziell zu hoch ist, um die feinen Kohlefaserfilamente vollständig zu imprägnieren, insbesondere wenn höhere Faservolumenanteile sind erforderlich.

Darüber hinaus wurden auch Epoxidharze (EPRs) fein abgestimmt, um hohe mechanische Eigenschaften in SMC-Teilen zu erreichen. Es war jedoch eine Herausforderung, diesen Prozess bei Großserienanwendungen kostengünstig zu betreiben, sagt AOC. Der Hauptnachteil von EPR SMC-Systemen ist ein schwieriger Imprägnier-, Reifungs- und Formprozess, der mehrere zeitaufwendige Temperaturschritte erfordert.

Um diese Probleme zu lösen, hat AOC seine Daron SMC-Technologie entwickelt, die Vorteile bietet wie eine verlängerte Lagerzeit des Compounds (bis zu sechs Monate bei Raumtemperatur) und einen optimierten Fluss beim Formpressen (vollständige Füllung der Formkavität, einschließlich Einsätzen und Rippen), was zu einem Zugmodul von 43 GPa und einer Zugfestigkeit von über 300 MPa führt. Daron SMC verfügt auch über eine Styrol-Fänger-Technologie, die zu einer optimalen radikalischen Polymerisation führt, die zu extrem niedrigen Emissionen flüchtiger organischer Stoffe führt (weit unter dem Grenzwert von 100 μg/g für Innenanwendungen).

„Aufgrund der niedrigen Viskosität der Daron-Harze lassen sich die feinen Filamentbündel der Kohlefaser bis in hohe Volumenanteile hervorragend imprägnieren“, sagt Verleg. „Außerdem führt die Daron SMC-Technologie zu einer idealen physikalischen und chemischen Wechselwirkung zwischen der ausgehärteten Harzmatrix und der Kohlefaser.“

Um die kostspielige Natur von CF-SMC in der Verbundwerkstoffindustrie zu beseitigen, hat der Kohlefaserhersteller Zoltek auch eine kostengünstigere 50.000 Split-Tow-Kohlefaser entwickelt, die während des SMC-Compoundierungsprozesses geöffnet werden kann und gleichzeitig ein kleines Kabel (ungefähr 3K) Kohlefaserleistung.

Beide Technologien – die Split-Tow-Fasertechnologie von Zoltek und die Daron SMC-Technologie von AOC – wurden im Rahmen des TUCANA-Projekts unter der Leitung von Jaguar Land Rover (Whitley, Großbritannien) entwickelt, das ein Konsortium aus Hochschul- und Industriepartnern mit dem Ziel zusammenbringt steifere und leichtere Fahrzeugstrukturen zu liefern, um die Leistung von elektrifizierten Fahrzeugen (EVs) zu steigern. Das Projekt TUCANA erwartet, diese Vision zu verwirklichen, indem es kosteneffektive, skalierbare Kohlefaserverbundlösungen ermöglicht, einschließlich des CF-SMC, das bisher alle Spezifikationen des Projekts erfüllt hat, einschließlich mechanischer Festigkeit und Formbarkeit; CF-SMC-Platten, die durch die Lackiererei laufen, haben auch bewiesen, dass SMC auf Basis des Daron-Harzsystems bei der Verarbeitung mit definierten Formgebungsparametern keine Delamination zeigt.

Neben seiner Verwendung für die Herstellung von Strukturbauteilen für den Automobilinnenraum „schließen weitere potenzielle Anwendungen dieses neuen Hochleistungs-CF-SMC dynamisch belastete Teile wie Motorhilfsrahmen und Achsschenkel ein“, schließt Luuk Groenewoud, strategischer Projektmanager bei AOC . „Das macht das Materialsystem zu einer begehrten Lösung für zukünftige Großserien im Automobilbereich.“