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Faserverstärkte Composites aus Polyurethan-Systemen

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EINLEITUNG

KUrzFAsErvErsTärKTE ComPosITEs ClASS-A-lACkierbAre SySteMe für kleinSerien • RRIM | ReInfoRced ReactIon InjectIon MouldIng • cRosslInked RRIM • HIgH-speed RRIM • HIgH-teMpeRatuRe RRIM

LANGFAsErvErsTärKTE ComPosITEs seMIstRuktuRelle VeRbundlösungen MIt folIeRteR obeRfläcHe • lfI | long fIbeR InjectIon • sRIM | stRuctuRal ReactIon InjectIon MouldIng

VeRstäRkung Von folIen und blecHen / VeRbundstRuktuRen • coMposIte-spRüHtecHnologIe

seMIstRuktuRelle sandwIcHlösungen füR das InteRIeuR • wabentecHnologIe

ENDLosFAsErvErsTärKTE ComPosITEs InnoVatIVe leIcHtbaulösungen füR lasttRagende anwendungen • RtM | ResIn tRansfeR MouldIng • sandwIcHtecHnologIe

zUsAmmENFAssUNG

KoNTAKTE

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8 – 13

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RessouRcenVeRknappung, steIgende co2-eMIssIonen, beVölkeRungs wacHstuM und deR weltweIt zuneHMende wunscH nacH MobIlItät sInd dIe gRossen HeRausfoR -deRungen füR dIe autoMobIle zukunft.

leIcHt gewInnt

bis 2020 fordert die eu von jedem europäischen fahrzeughersteller, die durch-schnittliche flottenemission auf 95 g Co2/km zu reduzieren – das entspricht einer Reduktion um ein drittel innerhalb der nächsten knapp 7 jahre. neben optimier-ten klassischen und alternativen antriebsarten sowie verbessertem Roll- und luft- widerstand ist leichtbau einer der Hebel, um dieses ziel zu erreichen: schon 100  kg weniger gewicht bedeuten einen um 0,4  l geringeren kraftstoffverbrauch pro 100  km fahrstrecke oder rund 10 g weniger kohlendioxidemission. durch den einsatz von faserverstärkten kunststoffen lässt sich schon heute im fahrzeugbau deutlich gewicht einsparen. Ihre einfache und flexible Verar beit -barkeit sowie die exzellente funktionsintegration ermöglichen darüber hinaus eine designfreiheit und Individualisierung, die mit herkömmlichen werkstoffen nicht möglich ist. dabei hängen die mechanischen eigenschaften von composites und damit das gewichtseinsparpotenzial von der genauen konstruktion ab und nehmen prinzipiell mit zunehmender faserlänge, höherem fasergehalt und stei-gender orientierung zu. kurz- und langfaserverstärkte kunststoffe sind in vielen pkw- und nutzfahr zeug anwendungen bereits etabliert, mit einem gewichts ein -spar potenzial von bis zu 40 prozent pro bauteil. um Metalle in lasttragenden an wen dungen zu ersetzen, wird eine gerichtete endlosfaserverstärkung benö-tigt. dabei liefern insbesondere carbonfaserverstärkte composites hochfeste, steife und crashgeeignete struk turen. die kombination ver schiedener Materialien liefert Multi-Materialsys teme, die gewichtseinsparungen von bis zu 65 prozent er mög li chen.

polyurethan -sys teme eröffnen eine einzigartige Möglichkeit, die Vor teile sol cher faserverbund werk stoffe zu nutzen. Von kurz- über lang- bis zu endlos fa ser ver -stärkten sys temen bietet basf poly ure thanes maßgeschneiderte lösungen an.

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frontschürze kotflügel

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kuRzfaseRVeRstäRkte coMposItes

RRIM | ReInfoRced ReactIon InjectIon MouldIng

Typische Bauteile: Hochwertige, gut lackierfähige bauteile für pkw-kleinserien sowie nutzfahrzeuge

Prozess: der RRIM-prozess ermöglicht die kostengünstige Herstellung von kurzfaser ver-stärkten bauteilen mit einem typischen fasergewichtsanteil von 15  bis  25 pro zent.

die mit einer kurzfaser (glas-, Mineral- oder kohle -fa ser, länge < 200 μm) gefüllten pu-ausgangs kom- po nenten werden intensiv in einem Mischkopf ver-mengt; anschließend wird das Re aktions ge misch innerhalb weniger sek unden mit geringem druck in ein werk zeug injiziert und nach kurzer aushärtezeit als fertiges bauteil entformt.

PU-Performance:aufgrund ihrer herausragenden fließfähigkeit er -mög lichen die für den RRIM-prozess entwickelten elastolit®-systeme die umsetzung selbst anspruchs-vollster designvorgaben. die bauteile bestechen durch höchste Qualität bei niedrigem gewicht und sind aufgrund ihrer class-a-oberfläche gut lackier-bar. das optimale kosten-leistungs-Verhältnis ist insbesondere für kleinserien-bauteile im automobil und im nutzfahrzeug ein erfolgsfaktor.

CLAss-A-LACKIErBArE sysTEmE Für KLEINsErIEN

dachspoiler luftfiltergehäuse

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cRosslInked RRIM

Typische Bauteile: dach- und Heckspoiler, technische gehäuse im Motorraum, Verkleidungsteile im Interieur, trägerstrukturen

PU-Performance: elastolit k ist ein kurzfaserverstärktes RRIM-system mit hoher festigkeit, das auf-grund seiner hohen Vernetzungsdichte insbesondere für die Herstellung von hoch- steifen bauteilen geeignet ist.

darstellbarkeit hochkomplexer bauteilgeometrien Realisierbarkeit von wandstärkenübergängen im

bereich von 2 bis 15 mm Hohe Maßhaltigkeit durch geringes thermisches

wärmeausdehnungsverhalten Integrierbarkeit von Inserts und befestigungselementen

dachspoiler

kühlerträger

instrumententafel bus

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HIgH-speed RRIM

Typische Bauteile: front- und Heckschürzen, schweller, nutzfahrzeugkotflügel, Verkleidungsteile für lkws, busse und traktoren

PU-Performance:elastolit R8 ist ein kurzfaserverstärktes, zähhartes und dabei elastisches Hs-RRIM (High speed Reinforced Reaction Injection Moulding)-system, prädestiniert für außenteile mit einer hochwertigen, gut lackierbaren, aber auch äußerst robusten oberfläche mit sehr hoher schlagzähigkeit.

ultimative fließfähigkeit für großflächige bauteile sehr hohe elastizität und kälteschlagzähigkeit erfüllt anforderungen hinsichtlich crash-sicherheit sehr kurze entformungszeit von 30 s

frontschürze Heckschürze Seitenschweller

außenspiegelgehäuse

kotflügel

kuRzfaseRVeRstäRkte coMposItes

HIgH-teMpeRatuRe RRIM

Typische Bauteile: kotflügel, seitenwand, außenspiegelgehäuse

PU-Performance: elastolit R8-Ht ist wie elastolit R8 ein kurzfaserverstärktes Hs-RRIM-system, das jedoch durch seine besondere faser-Matrix-zusammensetzung einen höheren Mo dul aufweist und damit bestens für dünnwandige, zähharte karosserieanbauteile mit höheren steifigkeitsanforderungen geeignet ist.

ausgeprägte steifigkeit bei geringer wandstärke niedriger thermischer längenausdehnungskoeffizient 30 • 10 -6 / k ausgezeichnete wärmeformbeständigkeit von bis zu 190° c geringes bauteilgewicht durch einsatz von gemahlenen carbonfasern

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kühlerblende

dachmodul seitenverkleidung baufahrzeug

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lfI | long fIbeR InjectIon

Typische Bauteile: leichte Verbundstrukturen wie Motorhauben, blenden, klappen, deckel sowie front-, Heck- und dachmodule für nutzfahrzeuge und caravans

Prozess: der lfI-prozess ermöglicht die Herstellung von langfaserverstärkten bau teilen mit typischen faserlängen von bis zu 25 mm in einem geschlossenen werk-zeug. dazu werden glasfaserrovings direkt am Mischkopf mittels schneid werk in filamente definierter länge geschnitten und im Mischkopf mit dem vor ge-mischten, niedrigviskosen pu-system benetzt. das pu-faser-gemisch (15  bis  35 gewichtsprozent faser) wird mittels Roboter in das offene werkzeug eingetra-gen, die formteilbildung erfolgt anschließend im geschlossenen werk zeug durch aufschäumen des pu-systems. eine class-a-oberfläche wird in der Regel mit-tels Hinterschäumung einer eingefärbten thermoplastfolie erzielt. ein separater lackierprozess entfällt dadurch.

PU-Performance:Mit den speziell auf den lfI-prozess abgestimmten elastoflex® e- und elas tolit-d-schaumsystemen lassen sich leichte Verbundstrukturen mit einer farbigen class-a-oberfläche wirtschaftlich herstellen. durch die geringe thermische längen aus dehnung in alle belastungsrichtungen eignet sich der werkstoff besonders zur Herstellung von großflächigen sichtbauteilen. die gute ein bin-dung der langen glasfasern in die pu-schaummatrix führt zu bau teilen mit

exzellenten festigkeiten und steifigkeiten, die mit kurzfaserverstärkten werkstoffen nicht er reicht wer-den. die hohe ausreißfestigkeit des pu- composites ermöglicht zudem die Integration von befes tigungs-hilfen oder inserts.

Signifikante Gewichtsreduktion vs. Metall oder sMc durch geringe pu-composite-dichte

Hohe Reaktivität ermöglicht kurze prozesszeiten

sehr gute composite-schlagzähigkeit für hochbeanspruchte exterieurbauteile

exzellente temperaturbeständigkeit für motornahe anwendungen

thermische dämmung durch niedrige pu-wärmeleitfähigkeit

sEmIsTrUKTUrELLE vErBUNDLösUNGEN mIT FoLIErTEr oBErFLäChE

langfaseRVeRstäRkte coMposItes

Motorhaube traktorseitenverkleidung baufahrzeug

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SRIM | stRuctuRal ReactIon InjectIon MouldIng

Typische Bauteile: Verkleidungs- und trägerbauteile für pkws und nutzfahrzeuge

Prozess:zugeschnittene faserhalbzeuge, zumeist glas- oder naturfasermatten (Hanf, flachs, sisal), werden als Verstärkungsmaterial in ein werkzeug eingelegt und mit einem pu-schaumsystem durchtränkt. der typische faseranteil liegt hierbei zwischen 15 und 35 gewichtsprozent. die formgebung erfolgt im geschlosse-nen werkzeug durch aufschäumen und aushärten des polyurethans. dekorative oberflächenfolien können direkt im werkzeug mit pu hinterschäumt werden.

PU-Performance: für eine optimale durchtränkung der faserhalbzeuge ist eine hohe fließfähigkeit

des schaums erforderlich. die maßgeschneiderten elastolit-d-systeme lassen sich mittels gieß-, Injek- tions- und sprühverfahren applizieren. selbst bei niedrigen schaumdichten überzeugen die hergestell-ten bau teile durch gute mechanische eigenschaften in alle belastungsrichtungen. der geringe werkzeug- innen druck beim schäumvorgang ermöglicht die Her stellung qualitativ hochwertiger bauteile in einfa-chen werk zeu gen, was insbesondere bei niedrigen stück zahlen von Vorteil ist.

geringes bauteilgewicht durch einsatz eines niedrigdichten pu-schaums

sehr gute Verträglichkeit des pu-schaum- systems mit dekorfolien

geeignet zur Herstellung von naturfaser- bauteilen

instrumententafel

sEmIsTrUKTUrELLE vErBUNDLösUNGEN mIT FoLIErTEr oBErFLäChE

staukasten lkw

türverkleidung (naturfaser)

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coMposIte-spRüHtecHnologIe

Typische Bauteile: außenteile für nutzfahrzeuge in kleinserien, Motorhauben, blenden, verstärkte Metallblech- oder kunststoffpaneele

Prozess: Mit dem composite-sprühprozess lassen sich glasfaserverstärkte Verbund- und sandwichstrukturen in einem offenen werkzeug herstellen. Hierbei können kom-pakte oder geschäumte pu-lagen schichtweise aufeinanderfolgend in eine form eingesprüht werden. optional werden einige schichten mit bis zu 20 ge wichts pro-zent schnittglasfaser verstärkt. das niedrigviskose pu-system wird beim austritt aus dem Mischkopf versprüht und benetzt die von einem Roving abgezogenen und auf eine definierte länge von zumeist 12 mm geschnittenen glas filamente, die seitlich in den pu-sprühstrahl eingetragen werden. die formteil bildung erfolgt durch aushärtung des polyurethans im beheizten, offenen werk zeug ohne nach-folgende Verpressung.

PU-Performance: die für den composite-sprühprozess entwickelten elastocoat®-c-kompaktsys teme überzeugen durch ihre hohe Verarbeitungsfreundlichkeit und lassen sich zur Her- stellung leichter und verwindungssteifer sandwichstrukturen mit einem ge schäum- ten, niedrigdichten elastolit-d-system beliebig kombinieren, ganz nach bau teil -anforderung an form und funktion. pu-system und prozess erlauben einen hohen

freiheitsgrad hinsichtlich der ober flä chen ge staltung durch In-Mould-coating, nach träg liches lackieren oder Hin ter schäu men einer ins werkzeug eingeleg-ten farbigen thermoplastfolie. das pu-com posite eröffnet zu dem die Möglichkeit der Ver stärkung von Metall blechen oder kunst stoff folien zwecks erhö- h ung der beul- und Verwin dungs steifigkeit.

elastocoat C ist die emissionsfreie Alternative zu lösemittelhaltigen gfk-systemen

darstellbarkeit selbst großflächiger und komplexer 3-d-bauteile

sehr gute composite-Verbundeigenschaften kombinierbarkeit mit unterschiedlichen

deckschichtmaterialien

vErsTärKUNG voN FoLIEN UND Blechen / VerBundstrukturen

traktorhaube

sandwichpaneel

langfaseRVeRstäRkte coMposItes

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funktionsladeboden

Querschnitt wabensandwich laderaumabdeckung

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wabentecHnologIe

Typische Bauteile: kofferraumladeböden, Hutablagen, schiebehimmel, Headliner, ablageflächen, semistrukturelle bauteile im automobil und im nutzfahrzeug

Prozess: Mit dem pu-sprühimprägnierprozess sind sehr leichte und biegesteife sand -wichstrukturen, basierend auf einer papier-wabenstruktur als kernmaterial und einer langfaserverstärkten deckschicht (z. b. auf basis einer wirrfasermatte aus glas- oder naturfaser), großserientechnisch herstellbar. ein vorgefertigtes sandwichhalbzeug aus wabe und fasermatte wird in einem automatisierten prozess beidseitig mit einem thermisch aktivierbaren pu-system dünn besprüht. die formgebung und aushärtung des imprägnierten Halbzeugs zum bauteil erfolgt durch Verpressen in einem beheizten werkzeug. Hierbei schäumt das pu-system in der Randzone des sandwiches leicht auf und schafft einen festen Materialverbund. scharniere und Inserts lassen sich im gleichen prozessschritt fest integrieren. diese technologie ermöglicht auch die Verwendung von alterna-tiven deckschichten und kernmaterialien wie Metallwaben oder schäumen.

PU-Performance: die für die wabentechnologie entwickelten niedrigdichten elastoflex-e- und elas -tolit-d-schaumsysteme überzeugen durch ihre hohe Verarbei tungs freund lichkeit. sie gewährleisten sowohl eine gute benetzung der faser deckschichten als auch eine zuverlässige anbindung an die kern lage. die systeme sind thermisch aktivier-bar, was lange sprühzeiten und kurze aushärtezeiten ermöglicht. der einsatz

interner trennmittel erlaubt neben einer einfachen entformbarkeit auch die gute Ver kleb barkeit mit dekormaterialien.

lange sprühzeiten von mehr als 100 Sekunden für großflächige bauteile bei gleichzeitig kurzen entformungszeiten

geringer prozessenergieverbrauch durch niedrige werkzeugtemperatur

direktkaschierbarkeit, Hinterschäumbarkeit von dekormaterialien im werkzeug

geringer Materialeinsatz durch viskositäts- optimierte benetzung

sEmIsTrUKTUrELLE sANDwIChLösUNGEN Für DAs INTErIEUr kofferraumladeboden

langfaseRVeRstäRkte coMposItes

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cfk-demonstrator, IkV aachen

Cfk-Profil

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RtM | ResIn tRansfeR MouldIng

Prozess:Im RtM-prozess werden aus glas- oder kohlefasern bestehende gewebe, gelege oder präformkörper in ein beheiztes werkzeug eingelegt. das werkzeug wird geschlossen, ggf. ein Vakuum angelegt und eine definierte Menge eines Reaktiv-

harzsystems wird in das geschlossene werkzeug injiziert. Im anschluss an die idealerweise vollständi-ge benetzung aller fasern durch das niedrigviskose Harz beginnt die polymerisation und nach vollstän-diger reaktion kann das bauteil entformt werden.

Mit diesem prozess sind komplexe dreidimen sio - nale bauteile zugänglich, die sich aufgrund der ge - richteten endlosfaserverstärkung in hoher kon zen -tration (typischerweise 50 Volumenprozent) durch extrem gute mechanische eigenschaften (Steifigkeit und festigkeit) auszeichnen und zur sub stitution von metallischen werkstoffen in lasttragenden an wen -dungen (strukturbauteile, chassis) eingesetzt wer-den können. je nach eingesetztem faserlayup kann so gegenüber metallischen werk stoffen ein ge wichts einsparpotenzial von bis zu 60 pro zent realisiert werden.

endlosfaseRVeRstäRkte coMposItes

INNovATIvE LEIChTBAU-LösUNGEN Für LAsTTrAGENDE ANwENDUNGEN

gfk-demonstrator, IkV aachen

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PU-Performance:die kompakten pu-Reaktivharzsysteme zeichnen sich durch ein sehr breites Verarbeitungsfenster aus und lassen sich mit Hilfe von abgestimmten internen trennmitteln leicht entformen. daneben sind sie auch für alle denkbaren prozess-varianten (Vakuum-RtM, variothermes RtM, spaltim präg nierung, flüssigimpräg-nierung im offenen werkzeug) einsetzbar.

lange Infusionszeit bei gleichzeitig kurzer entformzeit durch maßgeschneiderte katalyse

geringer energieverbrauch durch niedrige komponenten- und werkzeugtemperaturen

exzellente kompatibilität mit gängigen fasertypen und faserschlichten sehr gute mechanische eigenschaften, vor allem hohe dauerbelastbarkeit

und exzellente schadenstoleranz

dachmodul aus carbon

dachmodul

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SAndwIcHtecHnologIe

Prozess: die kombination maßgeschneiderter hochsteifer schaumkerne und decklagen liefert Sandwichsysteme. Solche Systeme sind durch integration eines form-schaums in einen RtM- oder sprühprozess oder alternativ durch nachträgliches ausschäumen von metallischen profilen bzw. faserverbund-deck schichten zu gänglich.

zur demonstration des potenzials von sandwichbauteilen wurde die kon-zeptstudie eines dreiteiligen cabriolet-dachmoduls in sandwichbauweise durch-geführt (basf und edag). zentrale schicht ist ein geschlossenzelliger pu-schaum, der als abstandhalter zwischen den carbonfaserverstärkten laminat deck-

schichten eine hohe bauteilsteifigkeit garantiert; zudem verleiht er gute dämmeigenschaften. dieser vorgefertigte form schaum wird beidseitig mit einer maßgeschneiderten carbonfasertextilstruktur be -stückt und das sandwich wird im RtM-Injek tions-ver fahren gefertigt. das hohe gewichtsein spar po -ten zial lässt sich aus den für die verschiedenen werk stofflösungen resultierenden bauteilgewichten ableiten: stahl: 8,3 kg, aluminium: 4,55 kg, cfRp-sandwich: 2,9 kg. das entspricht einer 40-prozen-tigen gewichts ein sparung gegenüber aluminium und einer 65-prozentigen gegenüber stahl.

PU-Performance:je nach sandwichprozessvariante stehen maßge-schneiderte pu-schäume (elastolit d) zur Verfügung: geschlossenzellige, druckfeste schäume mit niedri-ger dichte bzw. angepasste systeme zum Hinter-schäumen von deckschichten.

Maximales gewichtseinsparpotenzial realisierbar

sehr gute Haftung zu verschiedensten deckschichtmaterialien

funktionsintegration möglich (nVH)

INNovATIvE LEIChTBAU-LösUNGEN Für LAsTTrAGENDE ANwENDUNGEN

endlosfaseRVeRstäRkte coMposItes

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tecHnologIeübeRsIcHt Von pu-faseRVeRbundweRkstoffen

0

1

10

100

101 endlosFaserlänge (mm)

Stei

figke

it (G

Pa)

Semistrukturelle Bauteile Strukturbauteile

RTMSandwich-Technologie

SRIMLFI

Waben-TechnologieSprühtechnologie

RRIM

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polyuRetHan-systeMe eRöffnen beReIts Heute eine eIn zIgaRtIge MöglIcHkeIt, dIe VoR teIle Von faseRVeRbund weRk stoffen zu nutzen:

Von kurz- über lang- bis zu endlosfaserverstärkten syste men bietet basf maßgeschneiderte lösungen an.

wir freuen uns darauf, auch zukünftig gemeinsam mit Ihnen erfolgreiche leicht baulösungen zu entwickeln, die hinsichtlich kosten, per for mance und nach hal tigkeit optimiert sind.

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Zur Beachtung

Die Angaben in dieser Druckschrift basieren auf unseren derzeitigen Kenntnissen

und Erfahrungen. Sie befreien den Verarbeiter wegen der Fülle möglicher Einfl üsse

bei Verarbeitung und Anwendung unseres Produktes nicht von eigenen Prüfungen

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duktes für einen konkreten Einsatzzweck kann aus unseren Angaben nicht abge-

leitet werden. Alle hierin vorliegenden Beschreibungen, Zeichnungen, Fotografi en,

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Schutzrechte sowie bestehende Gesetze und Bestimmungen sind vom Empfänger

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PM / K, F 204

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PM

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InfopointPU

pu-infopoint@basf.com+49 5443 12-3579

InfopointElastollan®

elastollan-infopoint@basf.com+49 5443 12-3456