Mehr Kohlenstofffasern in Kraftfahrzeugen

Solche hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffe sind nicht nur sehr leicht und ermöglichen damit einen niedrigen Kraftstoffverbrauch, sie bergen auch Potenzial für den Einsatz in schnellen Herstellungsprozessen. Die Herstellung beschränkt sich derzeit jedoch auf Anwendungen für Luftfahrzeuge und Sportwagen in Höhe von einigen hundert oder einigen tausend Stückzahlen jährlich.

Dies änderte sich nun mit der Entwicklung zweier neuer Werkstoffe für in hohen Stückzahlen herstellbare Autoteile oder Koffer aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (KFK), vorangetrieben durch die Mitglieder des Projekts HIVOCOMP (Advanced materials enabling high-volume road transport applications of lightweight structural composite parts).

Das erste der entwickelten Systeme waren hochwertige Matrixwerkstoffe aus Polyurethan (PU)-Duroplasten, die im Vergleich mit der am häufigsten verwendeten Matrix aus Epoxid bessere mechanische Eigenschaften und kürzere Zykluszeiten aufwiesen. Indem dieses herkömmliche Matrixsystem durch PU ersetzt wurde, konnten kurze Aushärtzeiten bei gleichzeitiger hoher Zähigkeit und hoher Glasübergangstemperatur erreicht werden. Durch den Zusatz von Nanopartikeln in PU konnten weitere Verbesserungen für die Verarbeitung (reduzierte Harzviskosität und Reaktionskinetik) sowie verbesserte thermische und elektrische Eigenschaften erzielt werden.

Als Demonstrationssysteme bauten die Teilnehmer aus diesem neuen Werkstoff Fahrzeugstrukturbauteile. Zu den hergestellten Bauteilen zählten Innenverkleidungen für Motorhauben, Rücksitzrückwände und B-Säulen, welche sich zwischen Vorder- und Hintertür befinden.

Ein weiterer bahnbrechender Erfolg des HIVOCOMP-Projekts bestand in der Hybridisierung der selbstverstärkten Verbundwerkstoffe Polypropylen (PP) und Polyamid mit Kohlenstofffasern. Zur Entwicklung zweier Formen solcher selbstverstärkter Verbundwerkstoffe wandte das Projektteam verschiedene Strategien an. Mit einer Strategie gelang es, durch eine kleine Menge Kohlenstofffasern die Steifigkeit des Verbundwerkstoffs zu erhöhen, ohne dass dabei dessen Zähigkeit abnahm. Mit der zweiten Strategie wiederum wurde erreicht, dass die Zähigkeit erhöht und zugleich die Steifigkeit auf einem hohen Niveau gehalten wurde. Durch das Thermoformverfahren konnten zudem die Herstellungszeiten reduziert werden.

Den Projektteilnehmern gelang es, einen hybriden kohlenstofffaser-selbstverstärkten Koffer mit 10 % geringerem Gewicht gegenüber derzeit gebräuchlichen Koffern aus PP herzustellen.

Für die hochwertigen im Rahmen von HIVOCOMP erzeugten Werkstoffe sind die Zykluszeiten sehr kurz. Dies verspricht eine kosteneffiziente Fertigung hochleistungsfähiger KFK-Teile bei hohen Stückzahlen.