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Daniel Schneider, M.Sc.
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
28.06.2016
Leichtbau mit PUR-basierten Composites für Automotive-Anwendungen
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Agenda
Vorstellung des IKV
PUR als Matrixmaterial für Automotive-Anwendungen
Anwendungen
Verfahren
Herausforderungen
Forschungstätigkeiten am IKV
Ausgewählte Projekte
Möglichkeiten zur Kooperation
Fazit und Ausblick
1 FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Vorstellung des IKV
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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IKV – Das Institut für Kunststoffverarbeitung
1950 von Industrie und Handwerk
gegründet
Getragen durch eine Fördervereinigung
(mehr als 250 Mitglieder)
330 Mitarbeiter (200 studentische
Hilfskräfte)
9.000 m² Labore und Technika
Spritzgießen
Extrusion und Kautschuktechnologie
Faserverstärkte Kunststoffe und PUR
Formteilauslegung und Werkstofftechnik
Zentrum für Kunststoffanalyse und -prüfung
Aus- und Weiterbildung
Forschungsschwerpunkte / Abteilungen Zahlen und Fakten
3 FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Integration des IKV in das Composite Forschungsnetzwerk der
RWTH Aachen University
4 FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Zusammenarbeit mit dem IKV
Bilaterale Forschungsprojekte
Material-, Prozess- und Bauteilentwicklung, Consulting, Schadensanalyse, …
Exklusive Ergebnisse, Vertraulichkeit und Rahmenverträge möglich
Akquisition öffentlicher Förderung (ZIM, Innovationsgutschein)
Verbundforschung
Exklusive Gemeinschaftsforschung in einem
Industriekonsortium (GFP)
Aktive Teilnahme in öffentlich geförderten Projekten
(BMBF, EU, …)
Begleitung öffentlich geförderter Projekte (PBA)
Fachtagungen und Schulungen
Maßgeschneiderte Schulungen für Ihr Unternehmen
Konferenzen, Fachtagungen und Seminare
Handwerkslehrgänge
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg 5
Forschung und Entwicklung
gemeinsam mit dem IKV
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PUR als Matrixmaterial für
Automotive-Anwendungen
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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[Rühl]
[Covestro]
[Frimo]
Anwendungsbeispiele von
PUR-Composite-Bauteilen im Automobil
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg 7
[Fehrer] [Porsche]
[Zenos]
[Artega]
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Verarbeitungsverfahren für PUR-Composites
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg 8
Injektionsverfahren Spray-Prozesse
Resin Transfer Moulding (RTM)
Structural Reaction
Injection Moulding (S-RIM)
Reinforced Reaction
Injection Moulding (R-RIM)
Langfasersprühen
(LFI / FCS / CSM / Interwet)
Structural Component Spraying (SCS)
+ Bauteilkomplexität
+ Geringe Wandstärken
+ Funktionsintegration
+ Maßhaltigkeit
+ Gewicht (Struktur-
schaum)
+ Variabilität
+ Faserorientierung
+ Mechanische
Eigenschaften
+ Variabilität
+ Prozessdrücke
+ Optimale Benetzung
der Fasern
+ Bauteilkomplexität
+ Hinterschäumen
+ Hohe Variabilität
+ Kein Verschnitt
+ Oberflächenqualität
+ Mechanische
Eigenschaften
+ Prozessdrücke
+ Hohe Variabilität
Kurzfasern (< 500 µm)
Front- / Heckschürze
Schweller
Langfasern /
Endlosfasern
Türverkleidung
Endlosfasern
Strukturelemente (z. B.
B-Säule, Dachmodul)
Langfasern
(12,5 – 100 mm)
Großflächige Bauteil
Geschäumt und
kompakt
Langfasermatten
Sandwich-Bauteile
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Herausforderungen von
PUR-Composites im Automobil
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg 9
Einflussfaktoren bei der Reduktion der
Zykluszeit
Reaktionskinetik (Formfüllung)
Snap-Curing (Aushärteverhalten)
Wärmeentwicklung (Schädigungen)
Aspekte zur Erhöhung der
Prozesssicherheit
Auslegung der Prozesse (Ermittlung
charakteristischer Material-Kennwerte)
Reproduzierbarkeit (Qualitätskontrolle
im Prozess)
Anlagentechnik (effiziente Dosierung)
Entformbarkeit (Trennmitteleinsatz bzw.
–reduktion)
Produktionseffizienz Bauteilperformance
Gewährleistung der geforderten
mechanischen Eigenschaften
Steifigkeit (strukturelle Anwendungen)
Absorptionsvermögen(Fußgängerschutz)
Dauerfestigkeit
Erzielung hoher Oberflächenqualitäten
Nachbearbeitungsaufwand /
Lackierbarkeit
Class-A-Oberfläche für Sichtbauteile
Funktionalisierung
Recycling / Nachhaltigkeit
Einsatz von recycelten Materialien (z. B.
von Verschnittfasern)
Trennung von Matrix und Fasern
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Forschungstätigkeiten am IKV
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Abteilung Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane
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Pultrusions- und
Faserwickelverfahren
Wickelgerechte Auslegung
Prozessentwicklung für alternative
Matrixwerkstoffe
Prototypenfertigung
Rovingverarbeitung
Materialcharakterisierung
Verfahrensentwicklung
Prozesssimulation und
Faserorientierungsanalyse
Werkzeugtechnik
LFT/GMT/SMC-Fließpressen
Pressverfahren
Entwicklung neuer
Verarbeitungsverfahren
Verfahrensoptimierung
Prozessüberwachung
Werkzeugtechnik
Prototypenfertigung
Flüssigimprägnierverfahren
Herstellung von Hart- und
Weichschäumen
Verstärkte Polyurethane
Werkzeugtechnik
Verfahrensentwicklung und
-optimierung
Polyurethan-Technologie
Materialentwicklung und
Organoblechherstellung
Umformanalyse und
Verfahrensentwicklung
Prototypen- und
Kleinserienfertigung
Umformung thermoplastischer FVK
3D-Faserspritzverfahren
PUR-Sprühimprägnierung
Verarbeitungs- und
Imprägnierstudien
Preformherstellung und -analyse
Preforming und Sprühimprägnierung
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Forschung im Bereich Polyurethane am IKV –
PUR als Matrixmaterial in FVK-Bauteilen
Gezielte Nutzung von PUR zur…
Erhöhung der Oberflächenqualität von FVK-Bauteilen
Herstellung struktureller FVK-Sandwichbauteile durch
prozessintegrierte Imprägnierung und Schaumerzeugung
Steigerung der Produktionseffizienz durch optimierte
Fertigungsstrategien zur Herstellung von FVK-Bauteilen
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Serientauglichen Fertigung von FVK-Bauteilen
mit transparenter Sichtoberfläche
Die Herstellung von CFK-Bauteilen mit Sichtoberfläche
stellt eine material- und verfahrenstechnische
Herausforderung dar.
Fertigung komplexer FVK-Bauteile mit definierter
Oberflächenanforderung
Weiterentwicklung der Prozesskette PUR-
Sprühimprägnierung und Nasspressen
Einstufige und zweistufige Herstellung von endlosfaser-
verstärkten FVK-Bauteilen mit einer glasklaren
Oberflächenschicht im PUR-Sprüh-Prozess realisierbar
Die Oberflächenwelligkeit kann durch die zusätzliche
Oberflächenschicht reduziert werden
Laufzeit: 02/2015 – 01/2017
Problemstellung
Zielsetzung
Ergebnisse
Partner
Prozessansatz
Vergleich der Oberflächeneigenschaften
Referenz ohne Coating
Anwendung
Sitzlehnenschale als
CFK Sichtbauteil [Porsche]
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Großserientaugliche Fertigung von
endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen
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Laufzeit: 06/2014– 05/2017
Problemstellung
Herstellung struktureller 3D-Sandwichbauteile mit endlos-
faserverstärkten Deckschichten bisher nicht effizient
möglich
Zielsetzung
Weiterentwicklung der PUR-Sprüh-Prozesskette zur
Fertigung komplexer FVK-Sandwichbauteile in Großserie
Ergebnisse
Herstellung von endlosfaserverstärkten Sandwichbauteilen
mit prozessintegriert ausgeschäumtem Schaumkern
Erzielung einer hohen Decklagenqualität bei geringen
Forminnendrücken (< 10 bar)
Erzielung einer homogenen geschlossenzelligen
Schaumstruktur
Partner
[parat]
PUR-Sandwichbauteil
mit endlosfaser-
verstärkten Deck-
schichten und prozess-
integriert ausge-
schäumtem Kern
10-1-2
2 mm
1 mm 1 mm
Beispielhafte Anwendung:
IT-Transportkoffer
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Aufbau einer Injektionseinheit für die qualitäts-
gesicherte und automatisierte RTM-Fertigung
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Laufzeit: 06/2014 – 05/2016
Problemstellung
Keine vollautomatisierte und geregelte RTM-Fertigung
verfügbar. Qualitätssicherung muss der Bauteilfertigung
immer nachgeschaltet werden.
Zielsetzung
Aufbau einer Injektionseinheit die eine Prozessregelung
und online Qualitätssicherung erlaubt.
Ergebnisse
Aufbau von Messständen zur Bestimmung von
Regelalgorithmen für die Prozessregelung.
Qualitätsgesicherte Fertigung von CFK-Bauteilen
Online Bestimmung von Vernetzungsgrad und
Harzviskosität
Partner
Kolben für Harz
Injektion
Anschluss an das
RTM-Werkzeug
Austauschbare
Harzkartusche
Druck-, Temperatur-, dielektrische Sensoren
Messzelle für
Prozessregelung
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
0 20 40 60
Dru
ck [
bar]
Zeit [s]
1. Sensor
2. Sensor
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Laufzeit: 06/2012 – 05/2014
Problemstellung
Aktuell lassen sich mit permanenten Trennschichten kaum
dauerhaft gute Entformungseigenschaften erzielen.
Zielsetzung
Untersuchung und Modifikation der Interphase durch
grenzflächenaktive Substanzen
Ergebnisse Senkung der notwendigen Entformungskräfte um bis zu 94 %
Patentiertes Additiv für optimierte Entformungseigenschaften.
Projektbegleitung
Trennfreundliche PUR-Systeme durch
Interphasenkontrolle
Werkzeug
PUR-
Gemisch
einspritzen ausreagieren
Interphase
PUR-
Bulk
Interphase
PUR-
Bulk
entformen
Werkzeug Werkzeug
Grenzflächenaktive Substanzen
Trennschicht
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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2011 Permanente
Entformungsschichten
2003 PF-Schäume als Kernmaterial bei Sandwich-Bauteilen
2004 Hinterschäumen von Dekorfolien
1990 Epoxidharze beim RIM
1990 Faserverstärkes RIM-PA
1990 Optimierung der Arbeitspunkt-
einstellungen bei RIM-Anlagen
1986 Thermische und mechanische
Auslegung von RIM-Werkzeugen
1985 Produkt- und Verfahrensver-
besserung im RRIM-Verfahren
2004 Neue Polymerschäume für Sandwichstrukturen
2004 Lokale Anisotropien beim RRIM mit
Mikrowellentechnik
2006 Entwicklung eine schubweichen Kernelements
geringster Dichte
1992 Diagnose von Steuerungs-
systemen von RIM-Anlagen
IKV-Historie im Bereich Polyurethane –
Abgeschlossene öffentliche Forschungsprojekte von 1980-2015
1982 Dichteverteilung in PUR-Schäumen
1984 Reduzierung von FCKW bei der
Herstellung von PU-Schaum
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2007 Charakterisierung von PUR mittels
Ultraschall
2011 Entspannungsaggregat
zum CO2-Schäumen
2010 Einfluss von Prozess-
parameter auf Weichschäume
2015 1980
1996 Verbesserung der
Oberflächenqualität beim
RRIM 1996 Prozessüberwachung
beim RIM
1994 Modellierung des
Schäumvorgangs
1994 Charakterisierung
hochreaktiver Mehr-
komponenten-Systeme
1996 Dynamische Betriebs-
verhalten von RIM-Anlagen
1997 Langfaserverstärkter
PUR-Integralschaum
1987 Modellbildung und
Steuerung von HD-Anlagen
1987 Optimierung der Anlagen
zur 2K-Nylon-Technik
1986 Untersuchung
hochreaktiver PUR-Systeme
1985 Optimierung der
Gegenstrominjektiontechnik
1985 Auslegung von PUR-
Werkzeugen
1987 Verbesserung der
Bindenahtqualität beim RIM
1994 Hochleistungsverbund-
werkstoffe beim SRIM
1993 Fließwiderstandscharak-
terisierung im Injektionsverfahren
1993 Vorformprozess von
flächigen Faserstrukturen
1988 Füllsimulation beim RIM
1989 CAE-Programmierung zur
Auslegung von RIM-Werkzeugen
1988 Luftbeladung beim RIM
1988 Einfluss der Temperatur
auf die PUR-Formteilfertigung
2015 TP-Einleger als
Trennschichten
2014 Endlosfaserverstärkte
Hohlkörper mit PUR-GIT
*unzureichende Daten vor 1980
IKV Forschungshistorie im Bereich PUR-
Verarbeitung seit 1980*
Öffentliche Forschungsprojekte: 42
Dissertationen (seit 1970): 23
Master/Diplom/Bachelor/Studienarbeiten: > 100
2014 Trennfreundliche
PUR-System
2014 Pultrusion mit PUR
2014 Gasgegendruck zum
physikalischen Schäumen
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg
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Fazit und Ausblick
FSK – Leichtigkeit PUR, Everberg 18
PUR als Matrixmaterial wird in vielfältigen Bereichen im
Automobil eingesetzt.
Das Potenzial zur Substitution herkömmlicher Werkstoffe ist
unter dem Gesichtspunkt der Leichtbauweise enorm.
Zur Herstellung von PUR-FVK-Bauteile werden je nach
Anforderung unterschiedliche Verfahren eingesetzt.
Die Wirtschaftlichkeit bestehender Prozesse kann sowohl
werkstoff- als auch anlagentechnisch gesteigert werden.
Eine angepasste Reaktionskinetik sowie optimierte
Fertigungs- und Dosierstrategien kann zu einem breiteren
Einsatz von PUR beitragen.
Die Generierung von Materialdaten für hochreaktive PUR-
Systeme ist ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung von
Bauteilen und Prozessen (Simulation).
[Porsche]
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Das Institut für Kunststoffverarbeitung
Nachwuchs. Netzwerk. Innovationen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Ihre Fragen beantworte ich gerne.
Daniel Schneider, M.Sc
PUR-Technologie
Telefon: +49 (0) 241 80-93673
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