Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSLeichtbau ist ein unverzichtbarer Ansatz insbesondere für eine zeitgemäße Mobilität und das Erreichen der Klimaschutzziele. In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sorgen Leichtbau-Lösungen durch das reduzierte Fahrzeuggewicht für weniger Kraftstoffverbrauch und damit eine Reduktion von Schadstoff-Emissionen. Zudem trägt der Leichtbau zur Einsparung von Werkstoffen und somit zur Ressourcenschonung bei. In der Elektromobilität steigern Leichtbau-Technologien die Reichweite, weil mit der in der Batterie gespeicherten Energie weniger Masse bewegt werden muss.
Eine industriell bereits etablierte Technologie sind kunststoffbasierte Sandwichverbunde mit endlosfaserverstärkten Decklagen und Wabenkern. Sie werden aufgrund der sehr guten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften insbesondere für großflächige Strukturbauteile in Leichtbauweise eingesetzt. Für komplexe Strukturbauteile werden endlosfaserverstärkte Sandwichverbunde hingegen noch wenig genutzt, zu den bisherigen Einsatzfeldern gehören Hochpreissegmente wie die Luft- und Raumfahrt oder die Sportgeräteindustrie. Das liegt vor allem daran, dass sich solche Bauteile bisher nicht in kurzen Zykluszeiten vollautomatisiert produzieren lassen. TS-Moulding bietet dafür eine Lösung.
Bisherige Limits der Sandwichbauweise
Die Sandwichbauweise ermöglicht ein optimales Verhältnis von Biegesteifigkeit zum Bauteilgewicht. Dies wird erreicht durch einen dreischichtigen Aufbau mit zwei dünnen, hochsteifen und hochfesten Deckschichten, zwischen der eine überwiegend mit Luft gefüllte Kernstruktur liegt. Dieser strukturoptimierte Aufbau gewährleistet ein hohes Widerstandsmoment bei gleichzeitig geringer Dichte, also sehr hohe gewichtsspezifische Steifigkeiten des Sandwichverbunds.
Beim Einsatz von Faserkunststoffverbunden lassen sich die besten Ergebnisse über eine Struktur erzielen, die als Decklagen jeweils ein Gelege aus unidirektional endlosfaserverstärkten Kunststoffschichten (UD-Schichten) und als Stützstruktur einen Wabenkern enthält, der durch seine orthogonal zu den Deckschichten ausgerichteten Zellwände eine ideale Aufnahme von externen Flächenlasten ermöglicht. Während die Deckschichten Zug-Druck-beansprucht werden, stellt das Wabenmuster ein selbststützendes Tragwerk zur Aufnahme von In-plane-Schubspannungen dar.
So wichtig die Wabenkernschicht zur Erzielung von Gewichtsvorteil und Materialeffizienz ist, so herausfordernd ist die Gestaltung und Produktion integrativer Strukturbauteile. Zur Fertigung von High-Performance-Sandwichstrukturen mit duroplastischen Matrixmaterialien ist das Verbinden von Kern und Deckschichten bei gleichzeitiger Formgebung verbreitet, erfordert allerdings vorgelagerte Präparationsschritte und kann in Gesamtfertigungsdauern von mehreren Stunden resultieren. Für thermoplastische endlosfaserverstärkte Sandwichbauteile mit vergleichbarer Bauteilkomplexität kommen bisher nur Schäumprozesse zum Einsatz, wenn großserientaugliche Zykluszeiten angestrebt werden. Die gewichtsspezifische mechanische Performance solcher Sandwichverbunde mit Schaumkern ist allerdings nicht so gut wie bei Sandwichstrukturen mit Wabenkern. Auch für thermoplastische endlosfaserverstärkte Sandwichhalbzeuge mit Deckschichten aus Gelegen und Wabenkern gibt es bereits Lösungen für die industrielle und kosteneffiziente Fertigung. Die Produkte sind dabei aber lediglich plattenförmigen Halbzeuge, deren formgebende Weiterverarbeitung zu Bauteilen mit komplexem Design schwierig oder unmöglich ist.