Automobil-Design revolutionieren: Die ersten gekrümmten pultrudierten Bauteile

Pultrusion ist eines der ältesten Formverfahren für Duroplast-Composites und gilt als der erste kontinuierliche Faser Duroplast-Formprozess. Heute wird es zur Herstellung von Produkten von Strommasten über Fensterrahmen bis hin zu Leitern, Bewehrungsstäben und Windkraftkomponenten eingesetzt. Leicht zu automatisieren mit geringem Arbeitsaufwand und fähig, hochstrukturierte Komponenten – einige recht groß – zu vernünftigen Kosten und Geschwindigkeiten herzustellen, kann traditionelle Pultrusion Profile (hohl oder massiv, symmetrisch oder asymmetrisch) in nahezu jeder Form produzieren, die durch eine Düse gepresst werden kann. Allerdings muss diese Form einen konstanten Querschnitt/Dicke haben. Auch im Gegensatz zu Thermoplast-Extrusion oder Extrusion von Metallrohren – wo Druck und Hitze während der Produktion auf Profile angewendet oder nachträglich auf fertige Bauteile angewendet werden können, um sie in neue Formen zu biegen – war es schwierig, Pultrusion zur Herstellung von etwas anderem als geraden, linearen Profilen zu nutzen. Das hat natürlich den Einsatz von Pultrusion in vielen Industrien limitiert, besonders in Hochvolumensegmenten wie Automobil, die Pultrusion gerne nutzen würden, abgesehen davon, dass es nicht viele gerade Träger an Autos gibt, die gute Kandidaten wären.

Das beginnt sich zu ändern dank Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG (TTI, Bremervörde, Deutschland), die ein patentiertes Verfahren entwickelt haben, um viele Limitationen traditioneller Pultrusion zu überwinden. Tatsächlich ist das erste gekrümmte pultrudierte Automobilbauteil gerade in die kommerzielle Produktion gegangen mit dem Launch des 2020 Chevrolet Corvette Sportwagens durch General Motors Co. (Detroit, Mich., USA) (siehe den vollständigen Feature-Artikel zum Corvette pultrudierten Heckstoßfängerträger). Tier-1-Lieferant Shape Corp. (Grand Haven, Mich., USA) produziert einen gekrümmten Heckstoßfängerträger für das Auto mittels TTIs Radius-Pultrusion Moving-Mold-Prozess in Carbonfaser-verstärktem Polyurethan-Acrylat.

Hier ist der Grund, warum das ein großes Ding ist.

Bewegtes vs. stationäres Werkzeug

Bei konventioneller linearer Pultrusion wird ein reziprokierendes Zugsystem mit Greifern verwendet, um trockene Verstärkungen von ihren Creels durch ein Bad zu ziehen, wo sie mit flüssigem Duroplast-Harz imprägniert werden. Anschließend werden die imprägnierten Verstärkungen in eine stationäre beheizte Düse gezogen, wo das Profil geformt und vollständig ausgehärtet wird. Beim Austritt aus der Düse kühlt das sich bewegende Profil ab (während es weiterhin von der Abzugseinheit gezogen wird) und wird dann auf Länge geschnitten und verpackt.

Initial war die Faserverstärkung strikt auf unidirektionale Rovings beschränkt – mit anderen Worten, kontinuierliche Glas-, Carbon- oder andere Fasern, orientiert bei 0 Grad zur Zugachse. Im Laufe der Zeit wurden jedoch diverse Multiaxialgewebe – sowohl Gewebe als auch Non-Crimp Fabrics (NCF) – in pultrudierte Profile integriert, was eine Reihe von Faserorientierungen ohne Verformung/Faserbewegung ermöglichte. Nahezu jedes Duroplast-Harzsystem kann zur Imprägnierung von Verstärkungen in der Pultrusion verwendet werden, obwohl ein signifikanter Anteil an Anwendungen Polyurethan nutzt. In jüngeren Jahrzehnten wurde Pultrusion sogar modifiziert, um den Einsatz vorpolymerisierter Thermoplaste zu erlauben.

Viele Merkmale konventioneller Pultrusion wurden in TTIs Radius-Pultrusionsprozess auf den Kopf gestellt, aber der wichtigste Aspekt zum Verständnis ist: Bei Radius-Pultrusion ist die Düse nicht stationär; vielmehr bewegt sie sich und zieht Material, um entweder einen linearen konstanten Querschnitt oder ein konstant gekrümmtes Profil zu erzeugen.

Die Düse, oder eine Reihe von Düsen, bewegt sich nicht nur vor und zurück über das Profil, formt und härtet das Material aus, während beide entlang einer Schiene voranschreiten – in diesem Fall bewegt sich das Profil in eine Richtung und die Düse in beide Richtungen –, sondern die Düse zieht auch die trockenen Verstärkungen durch das Harzbad und das ausgehärtete Profil in Richtung Greifer und Schneider. Um einen linearen Querschnitt zu produzieren, bewegen sich sowohl Form als auch Profil entlang eines geraden Abschnitts der Schiene; um einen gekrümmten Querschnitt zu produzieren, bewegen sich Form und Profil entlang eines gekrümmten Abschnitts der Schiene.

„In dieser Technologie ersetzt die Düse effektiv den reziprokierenden Zieher, der durch stationäre Greifer ersetzt wird, die sich öffnen und schließen, sich aber ansonsten nicht bewegen“, erklärt Sebastian Mehrtens, TTI Vertriebsleiter. „Die Greifer schließen und stützen das ausgehärtete Profil, wenn es eine vorgegebene Länge erreicht hat und zum Schneiden bereit ist, bleiben ansonsten offen und lassen das Profil zur Schneideeinheit bewegen.“ Um das Risiko von Faserauszug aus dem heißen Material zu reduzieren, sind beheizte Düsen verchromt.

Darüber hinaus ist das diminutive System weit einfacher zu versenden, kann mit nur einem Gabelstapler bewegt werden, ist schneller aufzubauen als konventionelle Linien und benötigt weit weniger Platz auf dem Fabrikboden. „Das könnte in manchen Anwendungen interessante Vorteile haben“, merkt Mehrtens an. „Zum Beispiel könnte die Maschine in der Nähe einer Brückensanierung aufgebaut werden, um Strukturelemente bedarfsgerecht zu produzieren. Oder sie könnte beim Verlegen einer neuen Autobahn aufgebaut werden und Bewehrungsstäbe produzieren, die direkt auf der Baustelle auf kundenspezifische Längen geschnitten werden könnten.“ Noch ein weiterer Vorteil von pullCUBE ist die Arbeitssicherheit, da die Einheit vollständig geschlossen ist und Bediener sich nicht an heißen Formoberflächen verbrennen oder von Greifern eingeklemmt oder von der Säge geschnitten werden.