Verbundwerkstoff + Metall:Hybridtechnologie mit Hohlprofil

Das Spritzgießen ist in letzter Zeit viel in den Nachrichten der Verbundwerkstoffindustrie aufgetreten, aber hauptsächlich im Bereich der Herstellung von Hybridverbundwerkstoffen. Geformte endlosfaserverstärkte Prepregs oder vorgehärtete Verbundkörper werden im Formhohlraum positioniert und dann in einem größeren kurzfaserverstärkten Spritzgussteil so eingekapselt, dass nur dort, wo es erforderlich ist, eine zusätzliche Verstärkung bereitgestellt wird, um überdimensionierte Teile zu vermeiden und Produktionskosten kontrollieren. Fast unbemerkt in dieser Werbeflut gibt es Neuigkeiten rund um Kunststoff-Metall-Hybrid (PMH)-Strukturen – solche, bei denen spritzgegossene Unterkonstruktionen aus Blech mit einem thermoplastischen Verbundwerkstoff kombiniert werden.

Die PMH-Kategorie wurde kürzlich dank einer neuen Entwicklung erweitert, die erstmals im März in Europa angekündigt wurde. Die als Hohlprofil-Hybrid-Technologie (HPH) bezeichnete Entwicklung ermöglicht den effizienten Einsatz von stranggepressten oder geschweißten Metallrohr-Unterkonstruktionen anstelle von gestanzten oder gestanzten und geschweißten Blechen, um eine höhere mechanische Leistungsfähigkeit von hochbeanspruchten PMH-Bauteilen zu erreichen. Die HPH-Technologie wurde vom 30. April bis 1. Mai in Nordamerika auf der 13. jährlichen Automotive Engineering Plastics Conference (AutoEPCON) vorgestellt, die von der Society of Plastics Engineers (SPE, Bethel, CT, USA) organisiert und in den Vororten von Detroit abgehalten wurde.

„Traditionelle“ Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen

Die PMH-Technologie wurde ursprünglich um 1995 von der Bayer AG (Leverkusen, Deutschland) entwickelt. Das Composites-Team und die PMH-Technologie wurden 2004 als Teil der Bayer-Geschäfte Chemicals und Polymers in LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, USA) ausgegliedert.

PMH verwendet eine selektiv perforierte gestanzte Stahl- oder Aluminiumblech-Unterkonstruktion, die in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt wird, das typischerweise selektiv (dh der Metallträger ist nicht vollständig umspritzt) mit glasfaserverstärktem Polyamid 6 (GR-PA .) 6). Die resultierende Hybridstruktur bietet die Wahl der Funktionsteile des Teilekonstrukteurs, einschließlich Halterungen, Rippen, Vorsprünge und andere Geometrien aus Verbundwerkstoff an der Außenseite. Die Perforationen, die es dem thermoplastischen Verbundstoff ermöglichen, durch und um die Metallunterkonstruktion zu fließen, fördern eine starke Verbindung zwischen beiden Materialien und ermöglichen, dass die resultierende Struktur das Beste aus beiden Welten bietet. Das heißt, das Teil profitiert von der hohen Steifigkeit und Festigkeit dünnwandiger Bleche, wird aber beispielsweise durch Verbundrippen, die ein Ausbeulen des Metalls verhindern, versteift und stabilisiert. Darüber hinaus trägt der Verbundwerkstoff zu Korrosionsbeständigkeit, guter Oberflächengüte, geringerem Gewicht und erhöhter Teilekonsolidierung und Funktionsintegration bei, die in einem einzigen Schritt erreicht werden, wodurch Hardware, Halterungen und Sekundäroperationen eliminiert werden. Und da die Matrix PA 6 ist, bietet sie auch eine gute und breite Chemikalienbeständigkeit sowie eine hervorragende Zähigkeit (Schlagzähigkeit).

PMH-Strukturen sind leichter und haben weit weniger Teile (hergestellt in viel weniger Schritten) als vergleichbare Blechstrukturen mit gleicher Funktionalität, aber sie haben eine höhere mechanische Festigkeit als ein diskontinuierlicher faserverstärkter thermoplastischer Verbundstoff allein. Dies ist besonders in Fällen hilfreich, in denen der Platz begrenzt ist und dicke Wandabschnitte unerwünscht sind. Die Möglichkeit, die Anzahl der Teile und die Produktionsschritte erheblich zu reduzieren, reduziert nicht nur die Kosten und den Fertigungs-Footprint, sondern reduziert auch die Lager- und Garantiekosten. Und da seine Matrix ein Thermoplast ist, kann die Hybridstruktur am Ende der Fahrzeuglebensdauer getrennt und recycelt werden.

Aufgrund ihrer Wiederverwertbarkeit und ihrer Leistungsvorteile wird die PMH-Technologie seit vielen Jahren zur Herstellung einer Vielzahl von Automobilkomponenten verwendet, von großen Baugruppen wie Frontendmodulen und Stoßfängerträgern bis hin zu Komponenten im Motorraum. Es wurde auch in nicht-automobilen Anwendungen wie Rollerblades und Komponenten von Rollern und kleinen Geländewagen verwendet.

Rohrförmige Strukturen

Wie jede Technologie hat PMH einige Nachteile. Erstens erfordert die Amortisation der Werkzeugkosten für Metall und Kunststoff (bei dieser Technik werden beide Arten benötigt) wahrscheinlich eine Anwendung auf Fahrzeugprogramme mit mittlerem bis hohem Volumen. Es ist zu teuer für eine Nischenproduktion, es sei denn, die Werkzeugkosten können mit ähnlichen Modellen auf derselben Plattform geteilt werden. Zweitens kommt die PMH-Technologie, wie herkömmlich angewendet, am besten bei einfachen 2D- oder 2,5D-Blechunterkonstruktionen zum Einsatz, z. B. L-, C-förmige oder flachere Profile. Jedoch fehlt es diesen Strukturen oft an ausreichender Torsionsfestigkeit, um bestimmte Hochleistungsanforderungen zu erfüllen. Außerdem ist es nicht möglich, geschlossene/röhrenförmige Strukturen (denken Sie an O-Profile und andere röhrenförmige oder quadratische Querschnitte) über PMH herzustellen, da ein geschlossenes Profil unter den hohen Drücken des Spritzgießens zusammenbrechen würde.

„Die Idee für Hohlprofil-Hybridstrukturen entstand aus einer Liste von hochbelasteten strukturellen Automobilanwendungen, bei denen es sehr wünschenswert war, Masse zu reduzieren und funktionale Integration hinzuzufügen, wo die aktuelle PMH-Technologie jedoch nicht stark genug war, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen.“ erklärt Joseph Aiello, LANXESS-Ingenieur für strukturelle Anwendungsentwicklung. Als theoretisch ideales HPH-Bauteil nennt er den Fahrzeugquerträger, da er schwer ist und eine Vielzahl von Halterungen und anderen Befestigungen aus Metall enthält. Fahrzeugquerträger werden bei jedem Pkw eingesetzt, um dem Chassis Torsionssteifigkeit zu verleihen. Sie bieten auch Befestigungspunkte für Bauteile, die vom Motorraum in den Fahrzeuginnenraum eindringen (z. B. Lenkräder) und für Bauteile, die von Punkten vor der Stirnwand in den Fahrgastraum hineinragen (z. B. Instrumententafeln und Mittelkonsolen) . Frühere Arbeiten zur Anwendung der PMH-Technologie auf einen Fahrzeugquerträger hatten keine ausreichende mechanische Leistung, da sich die Bemühungen auf den Versuch konzentrierten, die röhrenförmigen (geschlossenen) metallischen Unterkonstruktionen für den Träger durch Zusammenschweißen zweier offener, L-förmiger PMH-Strukturen nach deren Herstellung zu schaffen überformt. „Da in der Technik bekannt ist, dass eine geschlossene Struktur fester ist als eine offene Struktur, war ein logischer Ausgangspunkt, um die mechanische Leistung von Kunststoff-Metall-Hybriden zu erhöhen, einen Weg zu finden, die Technologie auf Hohlträger oder Rohre mit runden“ oder rechteckige Querschnitte“, fügt Aiello hinzu.

Die Herausforderung bestand wie immer darin, eine hochfeste Verbindung zwischen dem metallischen Unterbau und dem darauf aufgespritzten Funktionsbauteil aus Verbundwerkstoff zu erreichen – eine Eigenschaft, die besonders bei strukturkritischen Bauteilen wie Fahrzeugquerträgern wichtig ist. Zunächst arbeitete das Team an einer Technologie, die zum Umspritzen von Standardrohren ohne spezielle Ausrüstung geeignet ist. Es stellte sich die Frage, wie man das Rohr in der Spritzgießmaschine gezielt verformen kann – Vertiefungen oder Vertiefungen erzeugen –, um eine gute Verzahnung zwischen Metallrohr und Matrize zu gewährleisten und so eine hohe Verbundfestigkeit zwischen metallischer Unterkonstruktion und umspritztem Verbund zu erreichen, ohne dass die Rohr bei den hohen Drücken, die typischerweise während des Formzyklus auftreten, zusammenzubrechen. Nach vielen Studien hat dasselbe LANXESS-Team, das ursprünglich die PMH-Technologie entwickelt hat, auch das HPH-Verfahren entwickelt.

Grundsätzlich verwendet HPH hochfließende, hochglasfaserverstärkte PA 6 „Strukturelemente“ – spritzgegossene Vollrohre mit speziell gestalteten, nach außen abstehenden Rippen/Rippen – die in die hohle Mitte eines Stahl- oder Aluminiumrohres eingelegt werden, d.h. wiederum in eine Spritzgussmaschine eingelegt und mit zusätzlichem GR-PA 6-Verbundwerkstoff zu Außenbeschlägen und anderen Funktionskomponenten umspritzt. Die Strukturelemente – die in ein Rohr eingesetzt werden, bevor dieses zum Umspritzen in die Presse eingelegt wird – verhindern das Zusammenfallen des Rohres während des Formens und helfen dabei, das Rohr durch einen Prozess namens Sicken oder Grübchen während des Hochdruckformprozesses zu formen/zu verformen Gewährleistung einer starken Verbindung zwischen Metall- und Verbundwerkstoffen. Dieses interne Element verbleibt im Rohr, um die strukturelle Unterstützung zu erhöhen.

LANXESS berichtet, dass die innenliegenden Rippen-/Rippenelemente sogar für den Einsatz mit perforierten Stahl- oder Aluminiumrohren ausgelegt werden können. Diese funktionieren wie die Perforationen, die in der herkömmlichen PMH-Technologie verwendet werden.

Um die Notwendigkeit einer zweiten Form zu eliminieren, kann dieses Werkzeug so konstruiert sein, dass es Raum in einem seitlichen Hohlraum einschließt, um Strukturelemente für Rohre zu formen, die im nächsten Schuss verwendet werden sollen, während es ein gegebenes, mit Strukturelementen verstärktes Rohr umspritzt. Berichten zufolge kann der gesamte Prozess auf Wunsch vollständig automatisiert werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen PMH-Strukturen mit gestanzten oder gestanzt-plus-geschweißten Unterkonstruktionen sollen HPH-Strukturen eine höhere Torsionssteifigkeit und Festigkeit sowie eine bessere Dimensionsstabilität bei vergleichbarem Querschnitt, Masse und Dicke bieten und dennoch alle klassischen Vorteile von Das ursprüngliche PMH-Verfahren von LANXESS.

Wie geht es weiter?

Zu den HPH-Zielanwendungen zählen hybride Verbund-/Metallstrukturen mit hohen mechanischen Anforderungen, die nicht nur Fahrzeugquerträger, sondern auch Autositzrahmen und Frontend-Module, Lkw-Heckklappen und Spiegelhalterungen umfassen. Außerhalb des Automobilbereichs könnten daraus Möbel, Leitern oder sogar Kinderwagen hergestellt werden. Zu neu, um noch kommerzielle Anwendungen etabliert zu haben, soll HPH an vielen in Arbeit befindlichen Entwicklungsprojekten beteiligt sein und LANXESS sagt, dass es weiterhin Möglichkeiten bewertet und berichtet, dass es noch an einigen Technologie-Releases arbeitet, um seine Patentanmeldung abzuschließen später in diesem Jahr eingereicht werden.

Was könnte als nächstes für HPH kommen? LANXESS hat außerdem nach eigenen Angaben PMH-Forschungen mit PA 6/6 und Polybutylenterephthalat (PBT)-Matrizen und Kohlefaserverstärkung durchgeführt und sogar Magnesium-Unterkonstruktionen evaluiert, obwohl die überwiegende Mehrheit der kommerziellen Anwendungen in GR-PA 6 mit Glasbeladungsniveaus verbleibt von 30-60%. Theoretisch könnten für HPH die gleichen Materialkombinationen verwendet werden, wobei der Fokus des Teams weiterhin auf 60% GR-PA 6 liegt. Bei Verwendung von Kohlefaserverstärkungen müssten Metallunterkonstruktionen isoliert werden (wahrscheinlich über eine Beschichtung), um galvanische Korrosion zu verhindern. Oder für weniger strukturelle Anwendungen sollte es möglich sein, ein aus einem Kunststoff oder Verbundmaterial extrudiertes oder pultrudiertes Rohr zu verwenden.