Höchstleistung
Kohlenstofffaserverstärkte Compounds
Höchste Leistung für Hochleistungswerkstoffe
Kohlenstofffaserverstärkte Materialien, häufig als CFK bezeichnet, sind uns aus eher exotischen Anwendungen, zum Beispiel beim Bau von Rennfahrzeugen, Flugzeugen oder Sportgeräten bekannt. Hier spielt der Preis eine eher untergeordnete Rolle, die Leichtbaueigenschaften überwiegen bei der Materialauswahl. AKRO-PLASTIC möchte diese Eigenschaften nun auch anderen Industriesegmenten zugänglich machen und das zu einem wirtschaftlichen Preis.
Insbesondere, wenn ein geringes Bauteilgewicht und eine hohe Steifigkeit gefordert sind, können Kohlenstofffasern ihre Stärken ausspielen. Obwohl die Herstellung dieser Fasern schon seit einigen Jahrzehnten industriell beherrscht wird, haben bisher die hohen Faserpreise einer Verbreitung dieses Verstärkungsstoffes entgegengewirkt.
In den letzten Jahren ist der Einsatz von Kohlenstofffasergeweben nicht nur im Flugzeugbau, sondern auch bei Windkraftanlagen und seit wenigen Jahren auch im Fahrzeugbau deutlich intensiviert worden. Dadurch sind neue Kapazitäten für die Produktion von Kohlenstofffasern entstanden. Dies hatte jedoch bisher keinen maßgeblichen Einfluss auf die Faserpreise.
Kohlenstofffasern werden oftmals als Gewebe oder Gelege verwendet, wobei große Mengen an Randabschnitten anfallen, die im gleichen Prozess nicht mehr nutzbar sind.
Im Jahr 2013 ist die AKRO-PLASTIC GmbH, Compoundeur für technische Kunststoffe aus dem Rheinland-Pfälzischen Niederzissen, auf eben diese Abschnitte aufmerksam geworden und hat einen Prozess zu deren Aufbereitung entwickelt. Ziel dieses Verfahrens war es, die Abschnitte in eine für den Compoundierprozess geeignete Form zu überführen, das heißt die Eigenschaften der Kohlefasern vollständig zu erhalten und zugleich eine gute Dosierbarkeit der Fasern zu erreichen. Als Ausgangsstoff wurden Gewebeabschnitte, die z. B. in der Karosseriefertigung bei BMW angefallen waren, eingesetzt. Nach erfolgreicher Entwicklung des Aufbereitungsprozesses ist so innerhalb weniger Monate das AKROMID® ICF-Produktportfolio bei AKRO-PLASTIC etabliert worden. Für alle gängigen thermoplastischen Polyamide bietet der Compoundeur Kohlenstofffaserverstärkungen zwischen 10 % und 40 % an, wobei auch Sondereinstellungen, z. B. Mischung mit anderen Verstärkungsstoffen, möglich sind (siehe Tabelle 1).
Leichtbau ohne Kompromisse
Vergleicht man die mechanischen Eigenschaften der kohlenstofffaserverstärkten Polyamide mit denen herkömmlicher glasfaserverstärkter Compounds, erkennt man leicht, dass mit einer Kohlenstofffaserverstärkung mit deutlich reduziertem Verstärkungsgrad vergleichbare Eigenschaften erreicht werden können. Folglich können Bauteile mit geringerem Eigengewicht hergestellt werden, ohne Kompromisse bezüglich der technischen Eigenschaften eingehen zu müssen (siehe Grafik 1).
Nach der erfolgreichen Markteinführung seiner kohlenstofffaserverstärkten Polyamid-Compounds hat der Compoundeur nun auch weitere Werkstoffe auf Basis von Polyketon (AKROTEK® ICF) und PBT (PRECITE® ICF) entwickelt. Auch bei diesen Polymeren zeigen sich die überlegenen Eigenschaften der Kohlenstofffaser in gleicher Weise wie bei den Polyamiden (siehe Grafik 2).
Die ICF-Compounds bieten gegenüber herkömmlichen Kohlenstofffasercompounds ein vergleichbares Eigenschaftsprofil bei einem deutlich günstigeren Preis. Dadurch sind jetzt auch Anwendungen möglich, die zuvor aufgrund der zu hohen Materialkosten nicht umsetzbar waren. Konkret ergibt sich hier die Möglichkeit, hochglasfaserverstärkte Materialien durch entsprechend geringer verstärkte ICF-Compounds zu ersetzen (Reduzierung des Bauteilgewichts) oder aber in etablierten Anwendungen mit kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten die preisgünstigeren ICF-Materialien zur Kostensenkung einzusetzen. Bereits umgesetzte Serienanwendungen verlangen heute vornehmlich die Funktionen der elektrischen Leifähigkeit und der Steifigkeit
Bei kraftstoffführenden Bauteilen wird ein Mindestmaß an elektrischer Leitfähigkeit aus Sicherheitsgründen benötigt. Quickkonnektoren (Bild 1), welche die aft Automotive GmbH in Greven in statisch ableitende Kraftstoffsysteme verbaut, werden von der Firma MKS Kunststoff-Spritzguß GmbH aus dem Hochtemperatur-Werkstoff AKROMID® T1 CGM 15/10 S1 (6431) hergestellt. Das Material ist ein schlagzähmodifiziertes glas- und kohlefaserverstärktes PPA, welches neben der elektrostatischen Ableitung auch mechanische Eigenschaften aufweist, die komplexe Rastfunktionen und die Montage des Quickkonnektors ermöglichen.
Die ICF-Compounds bieten gegenüber herkömmlichen Kohlenstofffasercompounds ein vergleichbares Eigenschaftsprofil bei einem deutlich günstigeren Preis.
ine ähnliches Anforderungsprofil erfüllt die von der Firma Hasenthaler Kunststoffverarbeitung gefertigte Halterung für Kraftstofffilter aus AKROMID® B3 CGM 15/20 1 schwarz (5489) sehr kostengünstig. Damit konnte auch Mann + Hummel nach umfangreichen Tests vom Preis Leistungsverhältnis des Materiales überzeugt werden. Zudem ermöglicht das ausgewogene Verhältnis von Glasfaser und Kohlefaserverstärkung eine präzise Fertigung mit engsten Toleranzen. (Bild 2).
Die meisten Bauteile aus ICF Compounds nutzen die extreme Steifigkeit des Materials bei niedrigeren Füllgraden. So hat die Grammer GmbH in der Mittelkonsole für den BMW Mini mit AKROMID ® A3 ICF 10 (5117) ein PA66 GF 30 erfolgreich abgelöst und dabei das Gewicht bei gleicher Mechanik um über 15% gesenkt. Weitere Beispiele erfolgreicher Gewichtseinsparung sind das Schaltzentrum Lenkrad (SZL) von der Joma-Polytec GmbH und eine Dachreling gefertigt von der JAC Product in Michigan.
Die sogenannte SZL Halterung aus AKROMID® A3 ICF 20 (5102) trägt die gesamten Bedienungselemente des Lenkrades und muss die Bauteile schwingungsarm und wertig am Lenkrad positionieren. Hier wurde ein Polyamid 66 GF 50 abgelöst und so deutlich über 20% Gewicht eingespart. Bei der Dachreling gefertigt aus dem kohlefaserverstärkten PA/PP Blend AKROMID B3 ICF 15 1L konnte die maximale Gewichtssenkung unter Zugabe des Treibmittels AF-Complex TM erreicht werden. Das Bauteilgewicht wurde gegenüber dem glasfaser-mineralverstärkten Polyamid 6 um rund 600 Gramm auf unter 1 kg gesenkt und erfüllt alle Anforderungen an Maßhaltigkeit und mechanische Belastung.
Die schwarze Farbe, die allen Kohlenstofffaserkunststoffen inhärent ist, kann zwar als Einschränkung empfunden werden, ist jedoch für viele Anwendungen ein erfreulicher Nebeneffekt.
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Quickkonnektor aus AKROMID® T1 CGM 15/10 S1 (6431) hergestellt von der MKS Kunststoff-Spritzguß GmbH
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Halterung Kraftstofffilter aus AKROMID® B3 CGM 15/20 1 schwarz (5489) hergestellt von der Hasenthaler Kunststoffverarbeitung
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Motorabdeckungen im PKW sind nahezu ausschließlich schwarz eingefärbt, weil sich bei den im Motorraum herrschenden Bedingungen die meisten Kunststoffe innerhalb weniger Stunden deutlich verfärben. Die hohen Temperaturen, der unvermeidbare Kontakt mit aggressiven Medien und die Notwendigkeit, Teile im Motorraum mehrfach demontieren und erneut montieren zu können, bedingen den Einsatz robuster Werkstoffe. Polymer der Wahl ist dabei Polyamid. Heute werden für Motorabdeckungen häufig mineral- oder glasfaser-mineralverstärkte Polyamide eingesetzt. Diese Werkstoffe lassen sich gut verarbeiten und erfüllen die mechanischen Anforderungen, die Oberflächenqualität dieser Bauteile ist jedoch nicht leicht zu kontrollieren. Die hohen Ansprüche der Designer lassen sich so nicht immer erfüllen. Kohlenstofffaserverstärkte Werkstoffe stellen hier eine hervorragende Alternative dar, weil die geforderten mechanischen Eigenschaften schon mit 10 %-igem Füllgrad problemlos erreicht werden können. Positiver Nebeneffekt ist dabei eine deutliche Gewichtsreduzierung um ca. 20% bei einer wesentlich homogeneren Oberflächenqualität
Auch höchst anspruchsvolle Sichtbauteile können hergestellt werden. Frischluftgrills, wie sie in nahezu allen PKWs in ähnlicher Ausführung vorkommen, haben typischerweise horizontal verlaufende Lamellen, die aufgrund ihrer Funktion hochsteif sein müssen. Zudem befinden sich die Bauteile im direkten Blickfeld der Fahrzeuginsassen und sollten sich daher gut in das Konzept der Armaturentafel, insbesondere in Bezug auf die Wertigkeit, einpassen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Oberflächenqualität der Kunststoffteile, besonders dann, wenn ein zusätzlicher Lackierschritt vermieden werden soll. Mit AKROLOY® PARA ICF 40 schwarz (6128) einem sehr steifen Material (E-Modul ca. 40 GPa), konnte die Dr. Schneider Unternehmensgruppe aus Kronach-Neuses nicht nur die rein technischen Anforderungen erfüllen, sondern auch Lamellen mit hervorragender Oberflächengute herstellen (Bild 3). Eingesetzt werden diese Frischluftgrills in der aktuellen 7er Reihe von BMW.
Im Auge behalten sollte man beim Einsatz der ICF-Compounds daher nicht nur die herausragenden technischen Eigenschaften, insbesondere die hohe Steifigkeit kombiniert mit niedrigem Bauteilgewicht, sondern auch die Möglichkeit hochwertige Oberflächen darzustellen: „Leichtbau mit Ästhetik“.
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