Structural Integrity

Mit TEREZ LFT-Compounds können durch die Kombination von langen Fasern und Hochleistungspolymeren sehr gute Steifigkeiten bei gleichzeitig hohen Zähigkeiten erreicht werden

Metalle gehören zu den ältesten Werkstoffen der Menschheit. Dabei sind Metalle durch ihr inhärent hohes Gewicht gerade für mobile Anwendungen nicht ideal. Metalle werden vor allem wegen ihrer guten Kombination von Zähigkeit und Steifigkeit als Konstruktionswerkstoff verwendet und weniger aufgrund ihrer elektrischen oder thermischen Leitfähigkeit. Daher bieten sich als konstruktive Metallalternativen insbesondere auch polymere Werkstoffe an, die mit ihrer geringen Dichte als Leichtbauwerkstoff prädestiniert sind. Die große Herausforderung für Kunststoffe ist das Niveau von Metall in punkto der Eigenschaftskombination Steifigkeit/Zähigkeit hinreichend gut zu erreichen.

Dabei ist der Einsatz von Kunststoffen als Metallersatzwerkstoff im Grunde nicht neu. Leichtbau-Anwendungen mit Epoxidharz-GFK sind seit vielen Jahren im Einsatz. Auch Werkstoffe auf Composite-Basis werden ebenfalls schon häufig für anspruchsvolle Strukturbauteile verwendet. Hier werden meist Endlosfasern mit Polymeren beschichtet, verpresst oder vergossen. Die gute Eigenschaftskombination leitet sich dann unter anderem von den großen Faserlängen in den Bauteilen ab. Während diese Methode oft technisch gute Lösungen hervorbringt, sind die damit verbundenen Fertigungskosten, insbesondere für hohe Stückzahlen, in der Regel hoch – für Massenanwendungen oft zu hoch.

Dagegen konnten thermoplastische Compounds, die im Spritzguss besonders vielseitig und insbesondere kostengünstig verarbeitet werden, bis vor kurzem nur selten gleichzeitig hohe Steifigkeiten und hohe Zähigkeiten bieten. Die konventionell verwendete Ausrüstung der Compounds mit Kurzfasern und/oder Schlagzähmodifikatoren führt entweder zu deutlich steiferen Compounds mit mäßiger Zähigkeit oder zu zähen, relativ weichen Werkstoffen. Während man zwar mit Hochtemperaturpolymeren die Einsatztemperaturen von Kunststoffcompounds auf deutlich über 100 °C erweitern kann, wird die metall-typische Eigenschaftskombination von Steifigkeit und Zähigkeit mit herkömmlichen Verstärkungsmethoden via Kurzfasern noch nicht erreicht.

Leistungsstarker Compoundier-Extruder zur optimalen Polymeraufbereitung für den LFT-Einsatz. (Bild: Krauss Maffei)

LFT-Compounds

Diese Lücke zwischen den Eigenschaften der Composites und der „normalen“ thermoplastischen Compounds kann besonders gut mit Langfaser-verstärkten Compounds auf Basis von Hochtemperaturpolymeren, so genannten LFT-Compounds, geschlossen werden. Mit LFT-Compounds können, ähnlich wie bei den Composites mit Endlosfasern, sehr gute Steifigkeiten bei gleichzeitig hohen Zähigkeiten erreicht werden. Gleichzeitig können die Fertigungskostenvorteile des Spritzgussverfahrens genutzt werden, so dass Leichtbau auch für große Stückzahlen wirtschaftlich wird.

Eigenschaftsvergleich Compounds

Eine LFT-Anlage, die speziell auf die Herstellung von LFT-Compounds mit Hochleistungspolymeren ausgelegt ist, wurde Ende 2015 bei TEREZ Performance Polymers in Rzeszow/Polen installiert. Das 2014 durch die TER Plastics POLYMER GROUP gegründete Produktionsunternehmen führt die jahrzehntelange Compoundier-Tradition der TER Plastics zusammen mit zwei Partnern in Polen fort. Das Produktportfolio der Eigenmarke TEREZ® ist neben den Bereichen Tribologie, Blends und Farbcompounds vor allem auf Metallersatz-Compounds fokussiert. Mit der neuen LFT-Anlage wird TER Plastics jetzt Metallersatzlösungen auf Basis von LFT-Compounds für höchste Ansprüche entwickeln und herstellen.

Die Langfasern werden im Verfahren von TEREZ Performance Polymers besonders gut gespreizt und imprägniert, so dass damit die Voraussetzungen für besonders hochwertige Compounds geschaffen sind. Speziell für eine optimale Spreizung wurden umfangreiche theoretische und praktische Untersuchungen durchgeführt.

Mikroskop-Aufnahmen eines GF-Rovings. hier ohne Spreizung

Hier: hohe Spreizung

Die Polymeraufbereitung der LFT-Anlage ist so konzipiert, dass darauf hohe Verarbeitungstemperaturen von Hochleistungspolymeren realisiert werden können. Mit seinem breiten Portfolio an Nylons ist TER Plastics geradezu prädestiniert, LFT-Spezialitäten herzustellen, die bislang noch nicht im Markt erhältlich waren.

Damit sind heute auch Leichtbauanwendungen durch Metallersatz realisierbar, die vor kurzem noch unmöglich schienen. Und für die Kunden wird das Leben dadurch im wörtlichen Sinne etwas leichter.

Autor:

Dr. Wolf J. Köhler

COO

TER Plastics POLYMER GROUP