AOC, Zoltek, Astar innovieren High-Performance CF-SMC für industrielle Auto-Teile

Im Rahmen des vom UK-Regierung geförderten Forschungsprojekts TUCANA haben AOC AG (Schaffhausen, Schweiz) mit Astar (Biscaya, Spanien) ein neues Sheet Molding Compound (SMC) auf Basis der Daron Polyurethan-Hybridtechnologie entwickelt, das die Produktion von gehackter Carbonfaser-Formteilen im industriellen Maßstab mit der mechanischen Leistung von Epoxidharz-CF-SMC und der Verarbeitungsleichtigkeit von ungesättigtem Polyesterharz (UPR) und Vinylesterharz (VER) SMC ermöglicht. Gemeinsam unterstützt das CF-SMC die Entwicklung struktureller Autoteile mit geringer Dichte, E-Coat-Fähigkeit und geringen Emissionen, bei Beibehaltung der für Composites typischen Designflexibilität. Es wird auch in Kombination mit Zolteks (St. Louis, Missouri, USA) kostengünstigerer Split-Tow-Faser eingesetzt.

Herausforderungen herkömmlicher Harzsysteme

„In den letzten Jahren sind neuartige SMC-Materialien auf Carbonfaserbasis kommerziell verfügbar geworden und werden nun im vollen industriellen Maßstab zur Produktion ultraleichter Strukturteile eingesetzt, die ihre Äquivalente in Aluminium und Stahl übertreffen“, erklärt Ron Verleg, Senior R&D Scientist bei AOC. „Mehrere duroplastische Harzsysteme können im SMC-Prozess verwendet werden, jedes mit spezifischen Vor- und Nachteilen.“

UPRs sind das Arbeitspferdharz für SMC-Anwendungen, so AOC, bieten gute mechanische Eigenschaften, akzeptieren hohe Füllstoffgehalte (Senken der Compoundkosten) und fließen gut in der Kavität. Bei Verwendung mit Carbonfasern führen jedoch unvollständige Benetzung und schlechte Haftung von UPR auf der Carbonfaseroberfläche zu Formteilen mit geringen mechanischen Eigenschaften.

Alternativ werden VERs hauptsächlich eingesetzt, um höhere mechanische Eigenschaften im Carbonfaser-Formteil zu erreichen, obwohl das Eindicken von VERs auf das für SMC-Formen erforderliche Niveau eine Herausforderung darstellt und die Viskosität tendenziell zu hoch ist, um die feinen Carbonfaserfilamente vollständig zu imprägnieren, insbesondere bei höheren Faser-Volumenanteilen.

Auch Epoxidharze (EPRs) wurden feinjustiert, um hohe mechanische Eigenschaften in SMC-Teilen zu ermöglichen. Es war jedoch herausfordernd, diesen Prozess kosteneffizient in Hochvolumenanwendungen zu betreiben, so AOC. Der Hauptnachteil von EPR-SMC-Systemen ist ein schwieriger Imprägnier-, Reife- und Formprozess, der mehrere zeitaufwendige Temperaturschritte erfordert.

Daron SMC Technologie als Lösung

Um diese Probleme zu lösen, entwickelte AOC seine Daron SMC Technologie, die Vorteile bietet wie verlängerte Lagerzeit des Compounds (bis zu sechs Monate bei Raumtemperatur) und optimierten Fließ in der Pressform (vollständiges Füllen der Kavität einschließlich Einlagen und Rippen), was zu einem E-Modul von 43 GPa und Zugfestigkeit über 300 MPa führt. Daron SMC verfügt zudem über eine Styrol-Scavenging-Technologie, die zu einer optimalen Radikalpolymerisation führt und extrem niedrige flüchtige organische Emissionen ergibt (weit unter dem 100 µg/g Grenzwert für Innenanwendungen).

„Wegen der niedrigviskosen Natur der Daron-Harze können die feinen Filamentbündel der Carbonfaser extrem gut bis zu hohen Volumenanteilen imprägniert werden“, sagt Verleg. „Zudem führt die Daron SMC Technologie zu einer idealen physikalischen und chemischen Wechselwirkung zwischen der ausgehärteten Harzmatrix und der Carbonfaser.“

Zolteks Split-Tow-Faser für Kostensenkung

Um die kostenprohibitive Natur von CF-SMC in der Composite-Industrie zu beseitigen, hat Carbonfaserhersteller Zoltek auch eine kostengünstigere 50K Split-Tow-Carbonfaser entwickelt, die während des SMC-Compoundierprozesses aufgeöffnet werden kann, während sie Kleintow-Leistung (ca. 3K) bietet.

Beide Technologien – Zolteks Split-Tow-Fasertechnologie und AOCs Daron SMC Technologie – wurden unter dem TUCANA-Projekt entwickelt, angeführt von Jaguar Land Rover (Whitley, UK), das ein Konsortium aus akademischen und Industriepartnern zusammenbringt, um steifere und leichtere Fahrzeugstrukturen zur Leistungssteigerung elektrifizierter Fahrzeuge (EVs) zu liefern. Projekt TUCANA erwartet, diese Vision durch kosteneffektive, skalierbare Carbonfaser-Composite-Lösungen zu verwirklichen, einschließlich CF-SMC, das bislang allen Projektspezifikationen entsprach, einschließlich mechanischer Festigkeit und Formbarkeit; CF-SMC-Paneele, die durch die Lackiererei der Produktionslinie liefen, bewiesen ebenfalls, dass SMC auf Basis des Daron-Harzsystems bei definierten Formparametern keine Delamination zeigt.

„Zusätzlich zur Verwendung für die Produktion struktureller Innenraum-Autoteile umfassen weitere potenzielle Anwendungen dieses neuen High-Performance CF-SMC dynamisch belastete Teile wie Motor-Unterrahmen und Lenkknöpfe“, schließt Luuk Groenewoud, Strategic Projects Manager bei AOC. „Dies macht das Materialsystem zu einer hochbegehrten Lösung für zukünftige Hochvolumen-Produktionsserien in Automobilanwendungen.“