Hybrid-Hohlprofil-Technologie: Verbund und Metall für überlegene Verstärkung vereint

Spritzgieß-Überformen war últimamente viel in den Composites-Industrie-News, aber primär im Bereich der Erstellung hybrider Verbunde. Geformte continuous-faserverstärkte Prepregs oder vorkonsolidierte Verbundformen werden in die Formkavität positioniert und dann in ein größeres kurzfaserverstärktes spritzgegossenes Teil eingekapselt, um zusätzliche Verstärkung nur dort zu bieten, wo sie benötigt wird, um überdimensionierte Teile zu vermeiden und Produktionskosten zu kontrollieren. Fast unbemerkt in dieser Publicity-Welle sind Nachrichten rund um Kunststoff/Metall-Hybrid (PMH) Strukturen – jene, die Blech-Unterstrukturen mit einem thermoplastischen Verbund überformen.

„Traditionelle“ Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen

PMH-Technologie wurde ursprünglich um 1995 von Bayer AG (Leverkusen, Deutschland) entwickelt. Das Composites-Team und die PMH-Technologie wurden 2004 als Teil von Bayers Chemicals and Polymers Geschäftsbereichen ausgegliedert und wurden LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, USA).

PMH nutzt ein selektiv perforiertes, gestanztes Stahl- oder Aluminium-Blech-Unterstruktur, das in ein Spritzgießwerkzeug gelegt wird, das typischerweise selektiv überformt wird (d. h., das Metallsubstrat wird nicht vollständig eingekapselt) mit glasfaserverstärktem Polyamid 6 (GR-PA 6). Die resultierende Hybridstruktur bietet die Wahl des Teildesigners an funktionalen Teilen, einschließlich Halterungen, Rippen, Ansätzen und anderen Geometrien in Verbund auf der Außenseite. Die Perforationen, die den thermoplastischen Verbund durchfließen und um das Metallsubstrat herum ermöglichen, fördern eine starke Verbindung zwischen beiden Materialien und ermöglichen der resultierenden Struktur, das Beste aus beiden Welten zu bieten. Das heißt, das Teil profitiert von der hohen Steifigkeit und Festigkeit von Dünnwandblech, wird aber durch z. B. Verbundrippen versteift und stabilisiert, die das Metall vor Knicken bewahren. Zusätzlich trägt der Verbund Korrosionsbeständigkeit, gute Oberflächenqualität, geringeres Gewicht und erhöhte Teilekonsolidierung und funktionale Integration in einem Schritt bei, wodurch Hardware, Halterungen und Sekundäroperationen eliminiert werden. Und da die Matrix PA 6 ist, bietet sie auch gute und breite Chemikalienbeständigkeit plus hervorragende Zähigkeit (Schlagfestigkeit).

PMH-Strukturen sind leichter und haben weit weniger Teile (in weit weniger Schritten produziert) als vergleichbare Blechstrukturen mit gleicher Funktionalität, doch sie haben höhere mechanische Werte als ein reiner kurzfaserverstärkter Thermoplastverbund allein. Dies ist besonders hilfreich, wo Platz begrenzt ist und dicke Wandabschnitte unerwünscht sind. Die Fähigkeit, Teilezahl und Produktionsschritte drastisch zu reduzieren, senkt nicht nur Kosten und Fertigungs-Footprint, sondern auch Lager- und Garantiekosten. Und da die Matrix ein Thermoplast ist, kann die Hybridstruktur am Ende der Fahrzeuglebensdauer getrennt und recycelt werden.

Wegen seiner Recyclingfähigkeit und Performance-Vorteile wird PMH-Technologie seit vielen Jahren für eine Vielzahl von Automobilkomponenten genutzt, von großen Baugruppen wie Frontend-Modulen und Stoßfängerträgern bis zu Unterhood-Komponenten. Sie wurde auch in Nicht-Automotive-Anwendungen genutzt, wie Inlineskates und Komponenten an Rollern und kleinen Geländefahrzeugen.

Rohrstrukturen

Wie bei jeder Technologie hat PMH einige Nachteile. Erstens erfordert die Amortisierung von Metall- und Kunststoffwerkzeugkosten (beide Typen sind bei dieser Technik nötig) wahrscheinlich Anwendung auf Mittel- bis Hochvolumen-Fahrzeugprogramme. Es ist zu kostspielig für Nischenproduktion, es sei denn, Werkzeugkosten können mit ähnlichen Modellen auf derselben Plattform geteilt werden. Zweitens ist PMH, wie konventionell angewendet, am besten für einfache 2D- oder 2,5D-Blechunterstrukturen geeignet, z. B. L-, C-förmige oder flachere Abschnitte. Diese Strukturen fehlt jedoch oft ausreichende Torsionsfestigkeit, um bestimmte Hochleistungsanforderungen zu erfüllen. Auch ist es nicht möglich, geschlossene/rohrförmige Strukturen (denken Sie an O-Querschnitt und andere runde oder rechteckige Querschnitte) via PMH herzustellen, weil ein geschlossenes Profil unter den hohen Drücken des Spritzgießens kollabieren würde.

„Die Idee für Hohlprofil-Hybridstrukturen entwickelte sich aus einer Liste von hochbelasteten automobilen Strukturapplikationen, wo es höchst wünschenswert war, Masse zu reduzieren und funktionale Integration hinzuzufügen, aber wo aktuelle PMH-Technologie nicht stark genug war, um Performance-Anforderungen zu erfüllen“, erklärt Joseph Aiello, LANXESS Structural Application Development Engineer. Er zitiert den Querträger (Cross-Car-Beam) als theoretisch ideales HPH-Bauteil, da er schwer ist und eine Vielzahl von Halterungen und anderen Anbauteilen in Metall enthält. Querträger werden in jedem Pkw genutzt, um Torsionssteifigkeit zum Chassis zu geben. Sie bieten auch Anbindungspunkte für Komponenten, die vom Motorraum in den Fahrzeuginnenraum ragen (z. B. Lenkräder) und für Komponenten, die von Punkten vor der Spritzwand in den Fahrgastraum ragen (z. B. Instrumententafeln und Mittelkonsolen). Vorherige Arbeit zur Anwendung von PMH-Technologie auf einen Querträger fehlte ausreichende mechanische Performance, weil der Versuch zentriert war, die rohrförmigen (geschlossenen) metallischen Unterstrukturen für den Träger durch Schweißen zweier offener, L-förmiger PMH-Strukturen nach dem Überformen zu erstellen. „Da eine geschlossene Struktur im Engineering bekanntlich stärker ist als eine offene, war ein logischer Ausgangspunkt zur Steigerung der mechanischen Performance von Kunststoff-Metall-Hybriden, einen Weg zu finden, die Technologie auf Hohlträger oder -rohre mit runden oder rechteckigen Querschnitten anzuwenden“, fügt Aiello hinzu.

Die Herausforderung war, wie immer, eine hochfeste Verbindung zwischen der metallischen Unterstruktur und jedem überformten Verbundfunktionskomponenten zu erreichen – ein Merkmal, besonders wichtig für strukturkritische Komponenten wie Querträger. Zunächst arbeitete das Team an einer Technologie, die für Überformen von Standardrohren ohne Spezialausrüstung geeignet war. Die Frage wurde, wie man den Rohr selektiv verformt – Dellen oder Vertiefungen erzeugt – in der Spritzgießmaschine, die einen guten Formschluss zwischen Metallrohr und Matrix sicherstellt und damit hohe Verbindungsfestigkeit zwischen metallischer Unterstruktur und überformtem Verbund erreicht, ohne dass das Rohr bei den typischen hohen Drücken des Formzyklus kollabiert. Nach viel Studie entwickelte dasselbe LANXESS-Team, das ursprünglich PMH-Technologie entwickelte, auch den HPH-Prozess.

Grundlegend nutzt HPH hochfließende, hochglasverstärkte PA 6 „Strukturelemente“ – spritzgegossene Massivrohre mit speziell designeden Rippen/Finnen, die nach außen ragen –, die in den hohlen Kern eines Stahl- oder Aluminiumrohrs eingesetzt werden, das wiederum in eine Spritzgießmaschine eingelegt und mit zusätzlichem GR-PA 6 Verbund überformt wird, um externe Halterungen und andere Funktionskomponenten zu bilden. Die Strukturelemente – die in ein Rohr eingesetzt werden, bevor dieses in die Presse zum Überformen gelegt wird – verhindern Rohrkollaps während des Formens und helfen, den Rohr durch einen Prozess namens Perlen oder Dimpling während des Hochdruckformprozesses zu formen/verformen, wodurch eine starke Verbindung zwischen metallischem und Verbundmaterial sichergestellt wird. Dieses interne Element verbleibt im Rohr, um strukturelle Unterstützung zu geben.

LANXESS berichtet, dass die internen gerippten/geflossenen Elemente sogar für perforierte Stahl- oder Aluminiumrohre designed werden können. Diese funktionieren wie die Perforationen in konventioneller PMH-Technologie.

Um die Notwendigkeit einer zweiten Form zu eliminieren, kann das Werkzeug designed werden, um Platz in einer Seitenkavität für das Formen von Strukturelementen für Rohre zu beinhalten, die im nächsten Schuss genutzt werden, während es ein gegebenes Rohr mit Strukturelementen überformt. Und der gesamte Prozess kann angeblich vollständig automatisiert werden, wenn gewünscht.

Verglichen mit konventionellen PMH-Strukturen mit gestanzten oder gestanzten-plus-geschweißten Unterstrukturen bieten HPH-Strukturen angeblich höhere Torsionssteifigkeit und -festigkeit und bessere Dimensionsstabilität bei vergleichbarem Querschnitt, Masse und Dicke, bieten aber immer noch alle klassischen Vorteile von LANXESS' ursprünglichem PMH-Prozess.

Was kommt als Nächstes?

Ziel-HPH-Anwendungen umfassen hybride Verbund/Metall-Strukturen mit hohen mechanischen Anforderungen, die nicht nur Querträger, sondern auch Autositzgestelle, Frontend-Module, LKW-Heckklappen und Spiegelhalterungen einschließen. Außerhalb der Automobilbranche könnte es für Möbel, Leitern oder sogar Kinderwagen genutzt werden. Zu neu für etablierte kommerzielle Anwendungen, ist HPH angeblich Teil vieler Entwicklungsprojekte in Arbeit und LANXESS sagt, es evaluiert weiterhin Chancen und arbeitet noch an einigen Technologiefreigaben, um seine Patentanmeldung abzuschließen, die später dieses Jahr eingereicht wird.

Was könnte als Nächstes für HPH kommen? LANXESS sagt auch, es hat zuvor PMH-Forschung mit PA 6/6 und Polybutylenterephthalat (PBT) Matrizen und Kohlefaserverstärkung betrieben und sogar Magnesium-Unterstrukturen evaluiert, obwohl die überwältigende Mehrheit kommerzieller Anwendungen in GR-PA 6 mit Glasfüllgraden von 30–60 % bleibt. Theoretisch könnten dieselben Materialkombinationen für HPH genutzt werden, obwohl der Fokus des Teams auf 60 % GR-PA 6 bleibt. Wenn Kohlefaserverstärkung genutzt würde, müssten Metallunterstrukturen isoliert werden (wahrscheinlich via Beschichtung), um galvanische Korrosion zu verhindern. Oder für weniger strukturelle Anwendungen sollte es möglich sein, ein extrudiertes oder pultrudiertes Rohr aus Kunststoff oder Verbund zu nutzen.