Tepex verstärkt Kindersitz-Kopfstützen-Demonstrator

Endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundmaterialien Tepex von LANXESS (Pittsburgh, Pennsylvania, USA) haben Potenzial für eine Vielzahl von Automobilanwendungen gezeigt – diese CW hat vor kurzem die Unterstützung für eine Hybrid-Metall-Verbund-Automobil-A-Säule, eine Auto-Rücksitzschale und einen Demonstrator für die Mittelkonsolen-Armlehne abgedeckt. Eine aktuelle Fallstudie des Unternehmens fügt der Liste den Leichtbau von strukturellen Sicherheitskomponenten hinzu.

Als Technologiedemonstrator hat LANXESS kürzlich eine Kindersitz-Kopfstütze entwickelt, um die Chancen der Materialien in diesem Markt aufzuzeigen. Das Bauteil wird in einem Partikel-Schaum-Verbundspritzgussverfahren (PCIM) hergestellt.

„Der Einsatz aus Tepex kann das Gewicht der Kopfstütze um bis zu 30 % im Vergleich zur industriell gefertigten Bauteilvariante reduzieren – und das bei vergleichbar guter Crash-Performance. Außerdem vereinfacht es den Produktionsprozess“, sagt Dr. Klaus Vonberg, Tepex Automotive Group bei LANXESS. Tepex wird von der LANXESS-Tochter Bond-Laminates GmbH (Brilon, Deutschland) entwickelt und produziert.

Der Demonstrator ist das Ergebnis eines transnationalen Forschungsprojekts, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert wird. Beteiligt an diesem Programm sind der Lehrstuhl für Strukturleichtbau und Kunststofftechnik (SLK) der TU Chemnitz, die Polycomb GmbH (Auengrund, Deutschland) und der Kindersitzhersteller Avionaut (Szarlejka, Polen).

Für die Kopfstütze entwickelten die Projektpartner ein alternatives Herstellungsverfahren auf Basis von PCIM. Um die Kopfstütze an einzelnen Stellen zu verstärken und das Gewicht zu reduzieren, wurde eine maßgeschneiderte Einlage aus Tepex dynalite 104-FG290(4)/47% verwendet. Hierbei handelt es sich um ein Verbundmaterial auf Polypropylenbasis, das mit zwei Lagen Endlosglasfaser-Rovings verstärkt wird. Der Einsatz wird in einem Arbeitsgang mit einem Spritzgusswerkzeug mit Drehteller geformt und mit einem kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Compound hinterspritzt, um die Trägerstruktur für Kopfstütze und Rückenlehne zu integrieren. Anschließend wird die vorgefertigte Einlage in einem zweiten Werkzeug mit Partikelschaum auf Basis von expandiertem Polypropylen (EPP) hinterschäumt.

Die Referenzkopfstütze hingegen wird laut LANXESS derzeit in Serie aus mehreren Einzelkomponenten gefertigt. Die Tragstruktur besteht aus langglasfaserverstärktem Polypropylen. Er wird mit einer separat geschäumten EPP-Komponente mit vier Polypropylen-Trägerstiften montiert.

„Der neue, hochintegrierte Produktionsprozess ist nicht nur energieeffizienter als das bisherige Verfahren, er führt auch direkt zum fertigen Bauteil. Dadurch reduziert sich die Gesamtteilezahl von sechs auf eins, was auch die Produktionskosten hinsichtlich Logistik und Maschinenaufwand senkt“, sagt Norbert Schramm, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Chemnitz und Leiter des dortigen ZIM-Projekts.

Die Gewichtseinsparung bei der aktuellen Version des Kopfstützenbauteils mit Glasfaser beträgt rund 26 %, wobei die Projektteilnehmer noch Potenzial für mehr sehen. „Wenn im Verbundhalbzeug und im Spritzgussmaterial eine Verstärkung auf Basis von Carbonfasern verwendet wird, ist das Ergebnis eine um fast 30 % leichtere Baugruppe“, so Schramm

Für das Projekt wählte das SLK die Materialien aus, analysierte die Verbundhaftung, konstruierte die Struktur und führte eine Topologieoptimierung durch. Polycomb leitete die Entwicklung und Designimplementierung des Demonstrators, die Herstellung von Prototypen und die Optimierung des Systemkonzepts. Avionaut analysierte die Kraftübertragungsbereiche, entwickelte das Design und untersuchte beispielsweise das Crashverhalten der Kopfstütze und des gesamten Sitzes in realitätsnahen Kollisionstests. LANXESS unterstützte die Projektpartner bei der Materialauswahl und half auch bei Aufgaben wie der Entwicklung des Hybrid-Molding-Verfahrens.

Potenzial für Tepex und das neue Verfahren sieht LANXESS in der Produktion von Babyschalen, Rücken- und Armlehnen sowie Sitzschalen für neue, hochkomplexe Sitzkonzepte in autonomen Autos oder für Komfortsitze für Shuttle-, VIP- und Familienbusse sowie Elektrofahrzeuge.