Hochleistungs-Carbon-Fiber/Epoxid-Composite für automobilen Leichtbau und Massenproduktion

IACMI-Projekt 3.2 evaluierte kohlefaserverstärkte Composites, infundiert mit einem neuartigen Epoxidharzsystem, um strukturelle Composite-Bauteile mit komplexer Geometrie zu entwickeln, die Metalle in hochbelasteten, sicherheitskritischen Anwendungen an Primärkarosseriestrukturen von Großserien-Pkw ersetzen. Eine der ersten Anwendungen war der Einsatz eines Carbon-Fiber/Epoxid-Pregpregs am B-Säulen eines Testfahrzeugs. Das Hochleistungs-Pregpreg-Material reduzierte die Masse direkt um 3 kg und ermöglichte die Reduzierung der umliegenden Blechdicken, die dann in günstigeren Legierungen spezifiziert werden konnten – zusätzliche Gewichts- und Kosteneinsparungen. Quelle: Ford Motor Co.

Hintergrund: Strenge 2025-Vorgaben und Konsortienbildung

Autohersteller in den meisten Regionen stehen vor anspruchsvollen 2025-Vorgaben zu reduzierten Abgasemissionen und/oder verbesserter Kraftstoffeffizienz für Pkw. Die Entwicklung grundlegend neuer Automobiltechnologie ist kostspielig, weshalb Konsortien zur Kostenaufteilung für vorwettbewerbliche Forschung in vielen Ländern genutzt werden.

In den USA ist eine solche Organisation das Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI – The Composites Institute, Knoxville, Tennessee). Dessen Mitglieder aus Industrie, Wissenschaft und Regierung arbeiten an vielschichtigen Projekten – integrierte Material-/Prozessentwicklung, Modellierung/Simulation, Multi-Material-Fügen, Recycling – um Ingenieursprobleme zu lösen, Fahrzeugmasse zu verbessern, Energieverbrauch und Emissionen zu senken und neue US-Arbeitsplätze zu schaffen.

Projekt 3.2 und das „unmögliche“ Harzsystem

Projekt 3.2 war eines der ersten Projekte, die IACMI nach seiner Gründung im Juni 2015 übernahm, obwohl die verwendete Technologie bereits einige Jahre zuvor entwickelt wurde – in Zusammenarbeit zwischen Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan) und dem damaligen Dow Automotive (heute The Dow Chemical Co., Midland, Michigan). Mit IACMI-Gründung und Projektstart brachten Ford und Dow ihre Vorarbeiten an einem neuartigen Epoxidharzsystem ein. Das Programm erweiterte sich schließlich auf mehrere Phasen für neue Anwendungen dieses innovativen Harzes: Pregpreg-B-Säule, ganzes SMC-Decklid (Kofferraumdeckel) und SMC/Aluminium-Heckklappe.

Das von Dow für Ford entwickelte Harzsystem heißt VORAFUSE. Es ist für Pregpreg und SMC ausgelegt und verarbeitbar auf Pressformen – im nordamerikanischen Automobilbau weit verbreitet. Nach Fords Anforderungen:

• Glasübergangstemperatur (Tg): 150–160 °C
• Formtemperatur: 145–155 °C
• Aushärtung in < 2 Minuten bei 150 °C (Sub-1-Minute möglich) – schnell genug für Großserie (100.000+/Jahr)
• Nachhärtung > 95 %
• Lösemittel- und VOC-frei

„Die CTQs [Critical-to-Quality-Anforderungen] von Ford sind einzigartig und wurden in keinem einzelnen kommerziellen Produkt zuvor erreicht“, erklärt Dave Bank, Fellow, Dow Polyurethanes R&D. „Deshalb waren neuartige Chemie und eine Reihe hochgradig nicht-traditioneller Produkte nötig, um diese anspruchsvollen Specs zu erfüllen.“

„Die thermodynamische Trennung von Lagerstabilität und Polymerisation im Harz/Härter-Gemisch ergibt eine trockene Paste, die in Kohlefaser infundiert werden kann, ohne die Aushärtung voranzutreiben – und ein trockenes, nicht klebriges Formgut liefert. Doch bei 150 °C Formbedingungen wird die Chemie ‚heiß‘ und härtet schnell aus“, fügt Bank hinzu. Dow reichte 21 Patentanmeldungen ein, vier wurden bereits erteilt.

Zusätzliche Merkmale des VORAFUSE-Systems:

• Lagerstabil bei Raumtemperatur 50+ Tage, aber Snap-Cure bei ≥ 150 °C. Keine Gefrierlagerung vor Kitting und Formen nötig, solange Lagertemperatur 40 °C nicht überschreitet.
• Klebfreie Chemie ideal für automatisiertes Handling. Keine Klebrigkeit wie bei traditionellem Pregpreg → keine Ablagerungen/Probleme an Robotern und Automationsanlagen.
• Neuartiges internes Trennmittel (IMR): 1.000 Teile formbar vor externem Trennmittelauftrag. Epoxidharze sind normalerweise IMR-feindlich, da sie hervorragende Metallkleber sind.
• Unausgehärtetes Material recycelbar zu hochwertigen Teilen durch Zerkleinern und Rückführung in Formsysteme als diskontinuierlich faserverstärktes Compound – ideal für komplexe Geometrien wie Rippen/Bossen. Im Gegensatz zu konventionellem Epoxid-Pregpreg und SMC kann aller unausgehärteter Ausschuss wiederverwendet werden → nachhaltiger, weniger Ausschusskosten.

Phase 1: Pregpreg-B-Säule

Nach Einbringung von VORAFUSE in Projekt 3.2 begann IACMI mit einer Automobilanwendung, die Phase 1 wurde. Teammitglieder: Ford, Dow, DowAksa US LLC (Tucson, Arizona – US-Arm des DowAksa B.V. Joint Ventures 50/50 Dow Chemical / Aksa Akrilik Kimya Sanayii A.Ş., Çiftlikköy-Yalova, Türkei); Michigan State University; Purdue University; University of Tennessee-Knoxville; Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan); Oak Ridge National Laboratory.

In Phase 1 entwickelten Forscher kontinuierliche (geflochtene und Non-Crimp-Fabric) kohlefaserverstärkte Pregpregs, imprägniert mit dem Epoxid. VORAFUSE P6300 Harz wurde für Kompatibilität mit DowAksa A42 D012 24K Standardmodul-Kohlefaser formuliert. Ziel: Carbon-Fiber/Epoxid-Pregpreg für strukturelle Composite-Bauteile mit komplexer Geometrie nutzen, um gestanzte Metalle in hochbelasteten, sicherheitskritischen Anwendungen an Primärkarosserien von Großserienfahrzeugen zu ersetzen.

Als Technologiedemonstrator diente die B-Säule einer Seite eines Ford Fusion-Testfahrzeugs. Machbarkeit zuerst via Simulation, dann physische Teile geformt und allen erforderlichen Tests unterzogen – inkl. Full-Scale-Fahrzeugcrashs. Teile bestanden mit Bravour: Masse um 3 kg pro Seite reduziert gegenüber incumbent Metallen. Unausgehärteter Ausschuss recycelt zu den komplexen Rippenstrukturen der Säule. Das Hochleistungs-Composite ermöglichte Down-Gauging der umliegenden Bleche, die dann in günstigeren Legierungen spezifiziert werden konnten – zusätzliche Gewichts- und Kosteneinsparungen.

Nach Erfüllung aller Ford-Anforderungen war die erste kommerzielle Nutzung für einen vorderen Dachrahmen und ein vorderes Bodenabschlusspanel am kohlefaserintensiven Ford GT Supersportwagen.

Das Carbon-Fiber/Epoxid-Pregpreg trägt einen Kostenaufschlag, eignet sich also best für Fahrzeuge mit signifikanten Leichtbauvorgaben, die einen Aufpreis für signifikante Gewichtsersparnisse zahlen können.

Phase 2 / Workstream 1: Ganzes SMC-Decklid

Aufbauend auf den Pregpreg-Erfolgen erforschten Projektforscher diskontinuierlich kohlefaserverstärktes SMC mit dem neuartigen Epoxidharz in komplexen 3D-Strukturen mit sicherheitskritischen Funktionen. Demonstrator 1: Carbon-Fiber/Epoxid-SMC als inneres/strukturelles Panel eines geklebten Decklids (Kofferraumdeckel). Demonstrator 2: Gleiches für größeres, komplexeres geklebtes Heckklappe (Heckklappe mit Fensterglas, Wischermotoren, Lichtern etc.). In beiden Workstreams blieben ursprüngliche Designrestriktionen, Hardware, Fügetechniken und Strukturkleber unverändert. Anspruchsvolle mechanische Ziele: > 300 MPa Zugfestigkeit, > 40 GPa Zugsteifigkeit – vergleichbar mit incumbent Gussmagnesium und Aluminium. SMC benötigte höheren Fließverhalten als Pregpreg → leicht anderer Grad VORAFUSE M6400 entwickelt.

Beim Decklid-Demonstrator (inkrementelle Weiterentwicklung gegenüber aktuellem Glas/SMC) ersetzte Carbon-Fiber/Epoxid-SMC konventionelles strukturelles Glasfaser/ungesättigtes Polyester-SMC für Decklid-Inner an einem Lincoln MKS-Prototyp. Carbon-Fiber/Epoxid-SMC-Innerpanel wurde mit Low-Density-Glasfaser/Polyester-SMC-Außenpanel (1,25 SG) verklebt, das Standard-Density-Glasfaser/Polyester-SMC (1,9 SG) ersetzte. Beide Außenpanel-Materialien Class-A-kompatibel. Originalwerkzeuge für beide Panels wiederverwendet. Schwindung – leicht unterschiedlich zwischen beiden Harzsystemen – nah genug, um Passungs- und Oberflächenprobleme zu vermeiden.

Virtuelles Prototyping unterzog die Verklebung anspruchsvollen Lastfällen: Torsionssteifigkeit, vordere Ecksteifigkeit, Waterfall-Durchbiegung, Schließkräfte. Dutzende Inner- und Außenpanels geformt, verklebt, getestet – inkl. anspruchsvoller 89-km/h-Heckaufpralle. Baugruppen bestanden virtuelle und physische Tests problemlos.

Decklid-Masse um 30 % reduziert (10,5 auf 7,33 kg) vs. Benchmark. Hätte Budget Neukonstruktion des Innerpanels erlaubt – dünneres Design dank höherer mechanischer Performance – berechnen Forscher ≥ 35 % Masseinsparung bei 2-mm-Wänden, noch mehr bei 1,5 mm.

Carbon-Fiber/Epoxid-SMC bestand alle Ford-Anforderungen und kann nun auf kommerziellen Plattformen eingesetzt werden, wenngleich teurer als konventionelles Glasfaser/Polyester-SMC.

Phase 2 / Workstream 2: SMC/Aluminium-Heckklappe

Letzter Projektschritt: wirklich herausforderndes Szenario – Leichtmetall durch Carbon-Fiber/Epoxid-SMC ersetzen für hybrides (Metall/Composite) verklebtes Baugruppe an größeren, komplexeren Heckklappen an Ford Mondeo Fünftürer/Hatchback-Testfahrzeugen. Um Fahrzeugbauabläufe minimal zu ändern, wurde die Baugruppe so designed, dass sie vor elektrophoretischer Rostschutzbehandlung (E-Coat) und zugehörigen Lackierzyklen an den Body-in-White (BIW) gefügt wird.

Carbon-Fiber/Epoxid-SMC ersetzte Magnesium für strukturelle/innere Panels, verklebt mit incumbent Aluminium-Außenpanels. Da neue Werkzeuge für das Composite-Panel nötig waren, wurde das Teil redesignet: Wandstärke variiert nach Steifigkeits/Festigkeitsanforderungen und Rippenzugabe. Metallverstärkungen in Hochlast-Befestigungsbereichen für Gasdruckfedern, Schließer, Scharniere, Schlösser – machte Composite-Panel etwas dicker, aber Bauraum erlaubte es.

Diese Multi-Material-Baugruppen durchliefen anspruchsvolle Anforderungen: Torsions- und Biegelasten, Querstabilität, Korrosionsbeständigkeit, Langzeitdauerhaftigkeit, Heckcrash-Tests. Zudem strenge Dimensionsstabilitätsanforderungen bzgl. Spaltmaße und Bündigkeit.

Hybridsystem bestand die meisten Anforderungen problemlos, aber Passungs-/Oberflächenprobleme durch CTE-Mismatch (Coefficient of Linear Thermal Expansion) zwischen Composite-Innerpanels und Aluminium-Außenpanels → Restspannungsaufbau in Klebefugen und Panelverzug nach Abkühlung. Nachfolgende Arbeit mit Purdue-Simulationsteam fokussierte auf Verbesserung der Vorhersagen von Modul, Festigkeit und Aushärtekinetik für den 1K-Epoxidkleber (gewählt wegen E-Coat-Temperaturbeständigkeit), um einen besseren Kleber zu reverse-engineeren. Verzug um Größenordnung reduziert, aber Ziel knapp verfehlt. Mögliche Lösungen: 2K/Raumtemperatur- oder Induktionshärtungskleber, neuer Hochtemperaturkleber. Langfristig: Aluminium durch Carbon-Fiber-Composite am Außenpanel ersetzen, oder Heckklappe offline fertigen und später im Bauablauf einfügen – beide Optionen erhöhen Kosten.

Projekt 3.2 läuft aus, hat aber interessante Technologie hervorgebracht – teils kommerziell reif (B-Säulen-Pregpreg, SMC-Decklid), teils auf weiterem Entwicklungsbedarf hinweisend.

„Die Zusammenarbeit mit IACMI und unseren Industrie- und Wissenschaftspartnern erlaubte uns, viel tiefer in Technologie von ersten Prinzipien aus einzutauchen, fundamentale Wissenschaft zu entwickeln und auf eine viel breitere Wissensbasis zuzugreifen, als wir es allein könnten“, fasst Projekt-3.2-Leiter Patrick Blanchard, Technical Leader Advanced Polymer Systems, Ford Research & Innovation, zusammen. „Wir freuen uns darauf, neue kommerzielle Chancen und F&E-Aktivitäten zur Fortsetzung der Zusammenarbeit mit unseren IACMI-Partnern zu identifizieren.“