JM stellt Neomera vor: Neue reaktiv polymerisierte Organoblech-Linie erweitert Marktchancen

Diesen Herbst plant Johns Manville (JM, Denver, Colorado, USA), die ersten Produkte seiner Neomera-Linie einzuführen. Das initiale Angebot wird in situ-polymerisiertes, gewebtes Glasfaser-verstärktes Polyamid 6 (PA6) Organoblech sein, aber die Linie wird bald erweitert um Non-Crimp Fabrics (NCFs) und lang gehackte Fasern. JM sagt auch, dass zusätzliche reaktiv polymerisierte Thermoplast-Matrizen evaluiert werden, ebenso wie hybride Verstärkungsstrukturen (z. B. Kombination von Kohle- und Glasfasern) oder sogar Nicht-Glas-Verstärkungen. Das Unternehmen merkt an, dass aufgrund der anderen Herstellungsmethode im Vergleich zu konventionellem Organoblech und Langfaser-Thermoplast-Composites die Neomera-Produkte höhere mechanische Eigenschaften bei niedrigeren Kosten bieten werden. Hier ist, was wir derzeit über diese Materialien wissen.

Eine neue Methode zur Organoblech-Herstellung

Konventionelles Organoblech – typischerweise eine spezialisierte Form von Glasmatten-Thermoplast-Composite (GMT), verstärkt mit Gewebe – wird mit entweder Polypropylen (PP) oder Polyamid 6 oder 6/6 (PA6, PA6/6) Matrix hergestellt. Organoblech-Composites werden am häufigsten in halb-strukturellen und strukturellen Komponenten in der Automobil-, Nutzfahrzeug-, Bau-/Konstruktions- und Sportartikelindustrie eingesetzt.

Mehrere Aspekte machen JMs Neomera-Linie anders als das, was bereits am Markt verfügbar ist. Erstens imprägniert das Unternehmen die Fasern nicht mit vollständig polymerisiertem PA6-Harz, sondern polymerisiert Caprolactam-Monomer anionisch zu PA6 nach dem Imprägnier-Schritt. Da geschmolzenes Caprolactam eine sehr niedrige Viskosität hat (~5 Zentipoise), benetzt es Rovings oder Gewebe viel effektiver als vollständig polymerisierte Thermoplaste, die weit längere Polymerketten und viel höhere Viskosität haben. Das bedeutet, JMs reaktiv polymerisiertes Harzsystem erreicht viel bessere Benetzung – mehr wie flüssige Duroplaste – als mit vollständig polymerisierten Thermoplasten wie PA6 möglich. Dies reduziert Hohlräume stark und bietet die Möglichkeit, höhere Faser-Volumenanteile (FVFs) – in der Größenordnung von 50 % oder höher – zu schaffen, was selbst die mechanischen Eigenschaften verbessert.

Zweitens behandelt JM die Glasfasern – ob gehackt, gewebt oder NCFs – vor der Imprägnierung mit Caprolactam mit seiner eigenen proprietären reaktiven Glasbeschichtung. Dies stärkt die Faser-Harz-Bindung erneut und resultiert in höheren mechanischen Eigenschaften bei vergleichbaren FVFs versus anderen Organoblech-Produkten mit gleicher Faserart, -prozent und Matrix.

Das innovative Langfaser-Organoblech bietet zufällige Faserverteilung, vollständige Faserbenetzung und exzellente Faser-Harz-Bindung, wie in den obigen Bildern gezeigt. Links sind Glasfaserbündel end-on gezeigt, und rechts zeigt, dass einzelne Faserbündel, von oben, vollständig mit Harz beschichtet sind.

„Das, was wir wollen, dass die Leute verstehen, ist, dass wir kein weiteres Me-too Organoblech-Produkt einführen“, erklärt Mingfu Zhang, JM Senior Research Manager – Corporate R&D. „Weil wir mit Caprolactam starten, können wir Fasern viel leichter benetzen als die, die Thermoplast-Polymere nutzen. Als Ergebnis erreichen wir bessere Imprägnierung, höhere Faser-Volumenanteile und bessere Performance. Tatsächlich erlaubt uns das, Spezialprodukte zu schaffen, die in konventionellem Organoblech nicht einmal erreichbar sind.“

Letztes Jahr kündigte JM an, die Technologie entwickelt zu haben und sie strategisch zu bemustern. Der Plan ist ein Soft Launch von Neomera im September und dann ein Hard Launch im folgenden Monat auf der 2021 Composites & Advanced Materials Expo (CAMX, 18.-21. Oktober, Dallas, Texas, USA).

Phasenweiser Rollout

Das initiale Neomera-Produkt – die OS-6 Serie – wird mit Geweben verstärkt. „Wir planen, unsere Produktlinie mit einer Köper-Architektur in FVFs von 45 bis 50 % zu starten, da wir viel Nachfrage nach diesen Composite-Typen sehen“, merkt Dana Miloaga, JM Product Leader – Composites, Corporate R&D, an. „Weil es ein balanced weave ist und gute Drapierbarkeit und orthotrope Eigenschaften bietet, ist es für Ingenieure, die Metalle spezifizieren, leichter zu handhaben, um leichtere, höher performende Bauteile zu erreichen.“

Gewebte Formen der neuen Organoblech-Familie werden gefolgt von der NCF-6 Serie mit schwereren NCFs, die traditionell schwierig zu imprägnieren mit konventionellen Thermoplasten waren. Schließlich ist eine diskontinuierliche, aber noch längere Faser (>25 mm) Version geplant. Genannt CR-6 Serie und angeblich mit konsistenten Faserlängen, die pseudo-isotrope Eigenschaften erhalten, wird diese Produktlinie mit Langfaser-Thermoplast-Technologien wie GMT und Direct-Long-Fiber-Thermoplast (D-LFT) konkurrieren. JM berichtet, dass Verarbeiter jedes Neomera-Produkt allein oder in Kombination mit anderen Typen nutzen können. Zum Beispiel könnte eine pressformbare hybride Struktur aus einem Streifen oder Blatt gewebtem oder NCF-Organoblech Lastpfade verstärken, während diskontinuierlich faserverstärktes Organoblech an Stellen positioniert werden könnte, wo komplexere Geometrien wie Rippen oder Bosse sitzen. „In Tests haben sich unsere CR-6 Produkte mit diskontinuierlicher Faser als besser formbar erwiesen als traditionelles gehacktes-Faser-GMT“, fügt Zhang hinzu.

Was Verarbeiter oder Werkzeugbauer betrifft, werden JMs neue Produkte wie konventionelles Organoblech oder GMT verarbeiten. Werkzeugbauanforderungen sind ebenfalls ähnlich. Die einzige Anpassung ist, das Neomera-Organoblech mit PA6-Matrix auf höherer Temperatur vorzuheizen und zu formen als typisch für PP aufgrund dessen niedrigerer Schmelz- und Formtemperaturen. Interessanterweise gibt es im Gegensatz zu manchen GMT-Produkten kein Aufblähen der Glasfasern nach dem Vorheizen durch Federung, sodass das Material voll konsolidiert bleibt. Dies wird ermöglicht, sagt Zhang, dadurch, dass die Fasern vollständig mit Caprolactam imprägniert sind und – da das Monomer dann in situ polymerisiert wird – sie viel höhere Molekulargewichte erreichen als konventionelles Organoblech mit PA-Matrizen.

JM-Forscher haben auch grundlegende Materialcharakterisierungen durchgeführt, um Designingenieure dabei zu unterstützen, Bauteilleistung genauer zu simulieren. „Wir arbeiten eng mit Kunden zusammen, um die wichtigsten Daten zu identifizieren, die sie initial für detailliertere Simulationsarbeit benötigen“, erklärt Miloaga. „Wir planen, Building Blocks zu generieren, die sie früh nutzen können, da es üblicherweise sechs Monate dauert, die Charakterisierung für eine vollständige Materialkarte zu entwickeln.“

Für jede eingeführte Produktlinie qualifiziert das Unternehmen zwei globale Lieferanten, um eine robuste Lieferkette und globale Zugänglichkeit und Konsistenz zu gewährleisten. JMs Produktionslinie im Denver-Bereich hat Probenmengen der Materialien für Kunden produziert, aber die initiale kommerzielle Produktion wird in Trnava, Slowakei, stattfinden.

Neomera-Produkte werden in Schwarz angeboten, mit Option „natural“ (cremeweiß) und Möglichkeit benutzerdefinierter Farben. Initial, während die kommerzielle Produktion hochfährt, wird Produkt auf Bestellung gefertigt und geschnitten, obwohl langfristig der Plan ist, Standardgrößen zu bevorraten.

Ein interessanter Aspekt von JMs Prozess ist, dass er dicke Platten in einem kontinuierlichen Prozess produzieren kann. „Eine der Herausforderungen bei bestehendem Organoblech ist, dass es typischerweise in halben-Millimeter-dicken Platten produziert wird, sodass man, um einen Kunden mit einem 3-mm-dicken Produkt zu beliefern, mehrere Platten post-konsolidieren muss, um ein Laminat zu machen“, erklärt Zhang. „Wir können diesen ganzen Post-Konsolidierungsschritt überspringen, da wir eine 3-mm-dicke Platte direkt herstellen können. Tatsächlich ist das einer der einzigartigsten Aspekte unserer Technologie. Wir wussten, Caprolactam hat wasserähnliche Viskosität, aber wir waren trotzdem überrascht, wie gut unsere Technologie für die Herstellung dicker Laminate geeignet ist. Das gibt uns viel Flexibilität in dem, was wir Kunden anbieten können. Außerdem vermeiden unsere Produkte durch das Überspringen des Post-Konsolidierungsschritts einen weiteren Heizzyklus.“

Herausfordernd war die Kontrolle des Fertigungsprozesses, um die feuchtigkeitsempfindliche anionische Polymerisation von Caprolactam zu handhaben. „Bevor wir an diesem Projekt arbeiteten, war die anionische Polymerisation von Caprolactam zu PA6 wirklich nur in geschlossenen Formen durchgeführt worden, die Anpassung an einen kontinuierlichen Prozess zur Herstellung eines sehr konsistenten Produkts erforderte viel Arbeit“, fügt Zhang hinzu.

Was kommt als Nächstes?

Auf die Frage, warum ein Glaslieferant wie JM Zwischenprodukte herstellen möchte statt nur die Technologie zu lizenzieren, sagt Klaus Gleich, JM Senior Research Scientist – Corporate R&D: „Angesichts der Natur unseres Fertigungsprozesses gibt es nicht viele Leute, die das Material herstellen könnten. Wir kennen die Chemie sehr gut und kennen ihre Herausforderungen, also sind wir am besten positioniert, sie zu skalieren und zu kommerzialisieren. Darüber hinaus hat unsere F&E-Gruppe diese innovative Technologie speziell entwickelt, um unser Geschäft zu erweitern und größeren Wert für unsere Eigentümer bei Berkshire Hathaway [Omaha, Nebraska, USA] zu schaffen. Wir wollen Innovatoren sein und neue Marktchancen schaffen.“

„Wir sehen den Trend, dass Thermoplast-Composites in halb-strukturelle und echte strukturelle Anwendungen vordringen, um leichte und nachhaltige Komponenten zu schaffen, als sehr gut ausgerichtet mit unserer neuen Organoblech-Technologie“, fügt Miloaga hinzu. Tatsächlich sagt sie, dass die ersten kommerziellen Anwendungen mit der Neomera-Familie nicht fern sind. JM testet Materialien im Motorsport, und es gibt auch Interesse in anderen Transportsegmenten wie Automobil und Nutzfahrzeuge plus Sportartikel. „Der Schlüssel ist, dass wir Probleme lösen“, fügt sie hinzu. „Die Konkurrenz ist teuer und hat ein begrenztes Portfolio. Wir können Produkte herstellen, die höher performen und doch kosteneffektiver sind – eine Win-Win-Kombination.“