Kurzfaser-Carbon-Compounds erweitern Thermoplast-Composite-Anwendungen

Eine Familie von kurzfaserverstärkten Thermoplast-Composite (CFRTP) Compounds, speziell für Spritzguss formuliert, wird eingesetzt, um die Fähigkeiten von Thermoplast-Composites in einer Vielzahl von Bauteilgrößen und -komplexitäten zu erweitern. Interessanterweise haben sich diese Materialien als überlegen gegenüber Langfaser-Thermoplast (LFT) Composites (in Glas- oder Kohlefaser) sowie Metallen in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen erwiesen – von Sportartikeln und Autoteilen bis hin zu Medizinprodukten und Luftfahrtkomponenten.

Vom Verarbeiter zum Compoundeur

Die Materialien werden von Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokio, Japan) formuliert und vertrieben. MCAM vereint mehrere zuvor getrennte Unternehmen, die die Muttergesellschaft im letzten Jahrzehnt akquiriert hat. Dazu gehören die ehemalige Quadrant AG (Lenzburg, Schweiz), ein Hersteller von Glasmatten-Thermoplast (GMT) und Organoblech-Composites sowie thermoplastischen Halbzeugen, und das ehemalige Piper Plastics Inc. (Chandler, Arizona, USA), das als Spritzgießer und Hersteller präzisionsbearbeiteter Teile begann und später in kundenspezifisches CFRTP-Compounding expandierte – zunächst für den Eigenbedarf und später für andere Verarbeiter.

Um 2012 war Piper ein mittelgroßer kundenspezifischer Spritzgießer mit Kundenstamm in Luftfahrt und Sportartikeln/Freizeitgeräten. Die Unternehmensführung wollte das Teilegeschäft ausbauen, stand aber vor zwei Herausforderungen. Erstens hatte man Schwierigkeiten, die Art von Compounds zu beschaffen, von denen das Team fühlte, dass sie es dem Unternehmen ermöglichen würden, in höherwertigen Marktsegmenten zu konkurrieren. Zweitens wollte man in den Automobilmarkt eintreten, verfügte aber nicht über genügend verfügbare Spritzgusskapazität, um bei Großprogrammen mitzukonkurrieren.

Das erste Problem wurde durch gezielte F&E-Arbeit an verschiedenen Basisharzen und Faserbeschichtungstechnologien gelöst, was zur Entwicklung einer Familie von Hochleistungs-, spritzgussgeeigneten CFRTP-Compounds namens KyronMAX führte. Diese Materialien weisen Matrizen wie Polyamid 6/6 (PA6/6), Polyphthalamid (PPA), Polyetherimid (PEI), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyaryletherketon (PAEK) auf, verstärkt mit kurz gehackter Kohlefaser. Die Compounds – die meisten bieten hohe thermische Leistung, breite Chemikalienbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften und niedrige Flammschutz/Rauch/Toxizität (FST) Werte – wurden nicht nur formuliert, um kurzglasfaserverstärkte und mineralgefüllte Spritzgussqualitäten zu ersetzen, sondern auch LFT-Compounds (mit durchschnittlicher Startfaserlänge von 13 mm) und sogar Metalle.

„Auf dem Datenblatt sehen LFT-Compounds stärker aus, aber oft können sie die Art von Bauteilgeometrie nicht füllen, die wir mit Kurzfaser-Carbon-Technologie füllen können“, erklärt Alex Wojtysiak, MCAM Key Accounts Manager – Composites. „Weil unser Fließverhalten so viel besser ist, können wir komplexe Geometrien viel besser füllen, sodass unsere Compounds Bauteile produzieren, die dramatisch stärker sind.“

„Es ist nicht so sehr, dass wir uns vorgenommen hatten, eine breite Palette von CFRTP-Compounds zu schaffen, sondern dass jedes einzelne entwickelt wurde, um die spezifischen Bedürfnisse eines bestimmten Kunden zu erfüllen“, fügt Clint Newell, MCAM Global Composites Technology Manager, hinzu. „Als unsere Formulierungskapazitäten wuchsen, erschlossen wir neue Märkte, trafen neue Kunden, fragten, was sie brauchten, und machten uns daran, ein perfektes Compound für diese Bedürfnisse zu schaffen.“

Unverblümt, weil diese Compounds ursprünglich von einem Verarbeiter für einen Verarbeiter formuliert wurden, waren sie darauf ausgelegt, Eigenschaften zu bieten, die sie leicht verarbeitbar machten und konsequent höherwertige, besser performende Bauteile lieferten. „Wir haben unsere KyronMAX-Produktlinie so formuliert, dass sie höhere Fließfähigkeit und Faserinteraktion, niedrigere innere Spannungen, weniger Anisotropie, stärkere Schweißnähte, weniger Schwindmarken, geringere Verzugsneigung und größere Dimensionsgenauigkeit bietet – unabhängig davon, ob Wandstärken dick oder dünn waren“, merkt Dave Wilkinson, MCAM F&E-Direktor, an. „Zusätzlich zu unserer Formulierungsarbeit und einzigartiger Beschichtungstechnologie haben wir auch eigene Pressenmodifikationen vorgenommen, um diese Materialien effizienter zu verarbeiten.“

Warum der ungewöhnliche Produktname? „In antiken griechischen Mythen war Kyron (auch Chiron geschrieben) halb Zentaur und halb Mensch“, erklärt Randy White, MCAM Chief Innovation Officer. „Kyron nutzte seine einzigartigen persönlichen Fähigkeiten, um sich über seine tierische Natur zu erheben. Wir likten das auf unsere Compounds, die halb Kohlefaser und halb Harz sind, so stark wie ein Pferd und so schlau wie ein Mensch für einfache Verarbeitung.“

Mit wachsender Formulierungsexpertise kam das Unternehmen in den Fokus der Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tokio, Japan), die Piper 2016 akquirierte. MCHC investierte sofort einen erheblichen mehrstelligen Millionenbetrag, um die Compounding-Linie in Arizona zu vergrößern, den Betrieb zu automatisieren und eigene Kohlefaser-Beschichtungs- und Hacktechnologien einzubringen, um KyronMAX-Compounds schneller und mit größerer Konsistenz und Effizienz herzustellen. Anschließend wurde eine zweite Compounding-Linie in Michigan und eine dritte in Japan eingerichtet. Diese erweiterte Kapazität bedeutete, dass KyronMAX-Qualitäten für Automobilgeschäft in Nordamerika und Asien konkurrieren konnten. Weitere Märkte folgten.

Erweitertes Produktangebot, neue Marktchancen

Jetzt, mit größerer Produktionskapazität und Zugang zu einer breiteren Palette von Polymer- und Kohlefasermaterialien, war das MCAM-Team damit beschäftigt, eine Reihe neuer Produkte zu entwickeln – mehrere davon speziell für den Automobilmarkt formuliert. Eines der interessantesten ist KyronMAX ES 4240, angeblich das weltweit erste kurzfaserverstärkte Spritzguss-Compound, das die 414 MPa (60.000 psi) Zugfestigkeitsbarriere durchbricht. Diese Qualität, die auf der SPE Automotive Engineered Plastics Conference (AutoEPCON) 2019 in der Detroit-Region vorgestellt wurde, ist ein 40% Fasergewichtsanteil (FWF) Kohlefaser-verstärktes PPA, das auch Zugmodulwerte von 41,2 GPa, Biegemodulwerte von 34,5 GPa und Biegefestigkeitswerte von 552 MPa bietet. PPA ist eine spezielle Form von Polyamid mit besserer thermischer und breiterer Chemikalienbeständigkeit und weitaus geringerer Neigung zur Hydrolyse als herkömmliches PA6 und PA6/6.

Weitere Automobilqualitäten, die auf der SPE AutoEPCON 2019 vorgestellt wurden, umfassen eine hochtemperaturbeständige, kohlefaserverstärkte PPA-Qualität, speziell für Unterhauben-Anwendungen entwickelt. Diese Qualität soll eine Glasübergangstemperatur (T_g) und Dauereinsatztemperatur (CUT) aufweisen, die der von PEEK rivalisiert, aber leichter zu verarbeiten ist. Angesichts der Kostensensitivität von Hochvolumen-Industrien wie Automobil und Kleingeräten kommt es nicht überraschend, dass das Team auch an einem Polypropylen (PP)-basierten KyronMAX-Produkt arbeitet.

Mit der Erweiterung der Produktlinie haben sich auch die Märkte erweitert, in denen diese Materialien eingesetzt werden. Neben dem lang ersehnten Automobilgeschäft bedient das Unternehmen nun Medizintechnik (sowohl langlebig als auch Einweg), Kleingeräte und Consumer Electronics (Metallersatz Gehäuse/Abdeckungen). Luftfahrt/Raumfahrt ist nach wie vor wichtig, ebenso die Sportartikelindustrie, die auf Anwendungen an Rennrädern, Mountainbikes, Golfschlägern, Feuerwaffen, Compoundbögen und anderen Bogensportteilen gewachsen ist. Mit mehreren Produkten, die Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung (CLTE) aufweisen, die denen von Metall-Spritzguss (MIM) Aluminium und Magnesium ähneln – allerdings mit besserer Zähigkeit, geringerem Gewicht und niedrigeren Kosten – findet das Team sich dabei, Metalle in einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen zu ersetzen.

Was kommt als Nächstes? Mit Zugang zur breiteren Mitsubishi-Organisation weltweit kann das MCAM-Team Technologie nutzen, die ein breiteres Composites-Portfolio repräsentiert, das Thermoplast- sowie Duroplast-Chemien umfasst, mit einer Reihe von Verstärkungstypen und -längen. Zum Beispiel produziert eine andere Mitsubishi-Gruppe gespaltene und gehackte Tow-Kohlefaser-verstärkte Forged Molding Compound (FMC), eine fortgeschrittene Form von Sheet Molding Compound (SMC), die die Leistungs- und Verarbeitungslücke zwischen kurzglas- oder kohlefaserverstärktem SMC und endlosfaserverstärktem Prepreg schließt. Eine andere Gruppe produziert gewebte und Vlies-Kohlefaser-verstärktes Prepreg und Rapid-Cure-Prepreg-Compression-Molding (PCM) Materialien.

Innerhalb von MCAM selbst nähert sich eine weitere Technologie der Kommerzialisierung: eine neue Familie von Textil- (Vlies, Gewebe und unidirektional)-verstärkten trockenen Prepregs mit thermoplastischen Matrizen namens KyronTEX. Diese Produkte werden derzeit strategisch bemustert.

Schließlich erwarb MCAM letzten Sommer carbonNXT GmbH und Schwesterunternehmen CFK Valley State Recycling GmbH & Co. KG (beide Wischhafen, Deutschland), was eine komplette Linie von Kohlefaser-Recyclingtechnologie in das Produktangebot der Gruppe bringt. Das MCAM-Team testet angeblich mehrere Formulierungen mit recycelter Kohlefaser vor der Qualifizierung kommerzieller Produkte.