Tepex wertet Kindersitz-Kopfstütze mit fortschrittlichem verstärktem Composite auf

Tepex Continuous-Fiber-verstärkte Thermoplastic-Composite-Materialien von LANXESS (Pittsburgh, Pa., USA) haben Potenzial für diverse Automobilanwendungen gezeigt – kürzlich von CW abgedeckt: Unterstützung für hybride Metall-Composite-A-Säule, Automobil-Rücksitzschale und Mittelkonsolen-Armlehnen-Demonstrator. Eine aktuelle Fallstudie des Unternehmens fügt Leichtbau struktureller Sicherheitskomponenten hinzu.

LANXESS entwickelte kürzlich eine Kindersitz-Kopfstütze als Technologiedemonstrator, um die Marktmöglichkeiten der Materialien zu veranschaulichen. Das Bauteil wird in einem Particle-Foam-Composite-Injection-Molding (PCIM) Prozess gefertigt.

„Der Einsatz von Tepex kann das Gewicht der Kopfstütze um bis zu 30 % gegenüber der kommerziell gefertigten Variante reduzieren – und das bei vergleichbar guter Crash-Performance. Es vereinfacht auch den Fertigungsprozess“, sagt Dr. Klaus Vonberg, Tepex Automotive Group bei LANXESS. Tepex wird von der LANXESS-Tochter Bond-Laminates GmbH (Brilon, Deutschland) entwickelt und produziert.

Der Demonstrator resultiert aus einem transnationalen Forschungsprojekt, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM). Beteiligt sind das Institut für Leichtbau und Polymertechnik (SLK) der TU Chemnitz, Polycomb GmbH (Auengrund, Deutschland) und Kindersitzhersteller Avionaut (Szarlejka, Polen).

Für die Kopfstütze entwickelten die Projektpartner einen alternativen Fertigungsprozess basierend auf PCIM. Zur Verstärkung an einzelnen Stellen und Gewichtsreduktion nutzten sie einen maßgeschneiderten Einsatz aus Tepex dynalite 104-FG290(4)/47 %. Dies ist ein Polypropylen-basiertes Composite-Material, verstärkt mit zwei Lagen Endlos-Glasfaser-Rovings. Der Einsatz wird in einem einzigen Prozessschritt mit einem Spritzgusswerkzeug mit Drehteller geformt und mit einem kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Compound rückverpresst, um die Stützstruktur für Kopfstütze und Rückenlehne zu integrieren. Der vorgefertigte Einsatz wird dann in einem zweiten Werkzeug mit Partikelschaum auf Basis expandiertem Polypropylen (EPP) rückgeschäumt.

Die Referenz-Kopfstütze wird dagegen derzeit in Serie mit mehreren Einzelkomponenten gefertigt, so LANXESS. Die Stützstruktur besteht aus langglasfaserverstärktem Polypropylen. Sie wird mit einem separat geschäumten EPP-Bauteil mittels vier Polypropylen-Trägerstifte montiert.

„Nicht nur ist der neue, hochintegrierte Fertigungsprozess energieeffizienter als das vorherige Verfahren, er ergibt auch direkt das fertige Bauteil. Dies reduziert die Gesamtzahl der Teile von sechs auf eins, was auch die Produktionskosten in Logistik und Maschinenaufwand senkt“, sagt Norbert Schramm, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Chemnitz und Leiter des ZIM-Projekts dort.

Die Gewichtsersparnis der aktuellen Version der Kopfstütze mit Glasfaser beträgt rund 26 %, wobei Projektteilnehmer weiteres Potenzial sehen. Laut Schramm: „Wenn eine Verstärkung auf Basis von Carbonfasern im Composite-Halbzeug und im Spritzgussmaterial verwendet wird, ergibt sich eine Baugruppe, die fast 30 % leichter ist.“

Für das Projekt wählte das SLK die Materialien, analysierte die Composite-Haftung, designte die Struktur und führte Topologieoptimierung durch. Polycomb leitete Entwicklung und Design-Implementierung des Demonstrators, Prototypenfertigung und Systemkonzept-Optimierung. Avionaut analysierte Kraftübertragungsbereiche, entwickelte das Design und prüfte das Crashverhalten von Kopfstütze und gesamtem Sitz in realistischen Crashtests. LANXESS unterstützte die Partner bei Materialauswahl und Aufgaben wie Entwicklung des Hybrid-Spritzgussprozesses.

LANXESS sieht Potenzial für Tepex und den neuen Prozess in der Fertigung von Babyschalen, Rückenlehnen, Armlehnen sowie Sitzschalen für neue, hochkomplexe Sitzkonzepte in autonomen Fahrzeugen oder für Komfortsitze in Shuttle-, VIP- und Familienbussen und Elektrofahrzeugen.