Forschungsprojekt bringt neues Verfahren für hybride Verbundwerkstoffe hervor

Der Kunststoffverarbeiter 1 A Autenrieth, Heroldstatt, präsentiert zur Fakuma das Ergebnis des im März 2023 abgeschlossenen Forschungsprojekts DRIFT, in dem unter der Führung von Carbon Armors und der Beteiligung von u.a. Porsche, Brose und Fraunhofer IGCV die neue Hybridtechnologie ‚Rebar Reinforcement‘ entwickelt wurde. Clou des Verfahrens ist, dass Drähte aus faserverstärktem Thermoplast ohne formgebende Werkzeuge maschinell gebogen und anschließend umspritzt werden.

Das mit Bundesgeldern geförderte und im April 2020 gestartete Projekt DRIFT beinhaltete die lastgerechte Verstärkung von Spritzgussbauteilen mithilfe maschinell gebogener Drähte aus Faserverbundwerkstoffen. Ronald Müller war bis September 2020 Geschäftsführer des Start-ups Carbon Armors, ein Joint-Venture des Ingenieurbüros Kube aus Plochingen und des Spezialmaschinenbauers Wafios AG, Reutlingen, und verantwortet nun den Vertrieb bei 1 A Autenrieth. Der Luft- und Raumfahrttechnik-Ingenieur erklärt die neue Technologie, deren erster Schritt die Pultrusion ist, bei der Fasern in ein stabiles aber umformbares Trägermaterial eingebettet werden: „So entsteht aus losen Fasern ein ‚Kohlenstoffdraht‘, der sich durch Erhitzen verformen lässt und bei Raumtemperatur fest ist.“ Durch eine maschinelle Drahtbiegetechnik wird dieser dann zu einer lastgerechten Armierung gebogen und anschließend in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und umspritzt – ähnlich einer Stahlbeton-Konstruktion.

Hintergrund: Fasern aus Carbon oder Glas sind wegen ihres geringen Gewichts und ihrer hohen mechanischen Eigenschaften ideale Verstärkungsmaterialien. Voraussetzung für eine effektive Wirkung ist jedoch, dass die Fasern auch entlang der Hauptbelastungsrichtungen im Bauteil eingebettet sind. Während herkömmliche Verfahren immer einen Träger (z.B. eine Form oder Stützstruktur) benötigen, auf dem die Fasern in der gewünschten Orientierung abgelegt werden können, kann dieser bei dem hier vorgestellten Verfahren vollständig entfallen.

In der Herstellung via Rebar-Reinforcement-Hybridtechnologie ergeben sich mehrere Vorteile: Das Biegen der Drähte erfolgt ohne formgebende Werkzeuge. So entsteht etwa ein Stern durch abwechselndes nach rechts biegen um 72 Grad und nach links biegen um 144 Grad. Eine Stern-Form ist überflüssig. Bei anderen Verfahren, in denen nicht-vorgeformte Faserverbund-Halbzeuge (z.B. Gewebematten) umspritzt werden, muss die passgenaue Umformung im laufenden Prozess geschehen. Dies findet meist direkt im Spritzguss-Werkzeug statt, das somit auch als formgebendes Werkzeug dient. Dadurch sind Taktzeiten länger und Werkzeugkosten oft doppelt so hoch, als wenn die vorgeformten Teile einfach nur eingeclipst und umspritzt werden.

Das Rebar Reinforcement-Verfahren ist somit sehr flexibel, weil für die gefertigten 3D-Skelette keine Formen nötig sind. Und weil Kohlefasern aufwendig und mit hohem Energiebedarf hergestellt werden, spart die neue Technologie dank lastgerechtem Einsatz und verschnittfreiem Prozess zudem Ressourcen. Die Einsatzfelder der neuen Hybridtechnologie sind vielfältig: Von der Luft- und Raumfahrttechnik über den Maschinenbau, die Automobilindustrie bis hin zum Energie- und Versorgungssektor sowie dem Konsumerbereich. Firmenchef Steffen Autenrieth sagt: „Bauteile können überall da zum Einsatz kommen, wo heute Metalle verwendet werden“. Die Hybridtechnologie sorgt für mehr Stabilität, Sicherheit und spart Ressourcen.

www.autenrieth-kunststofftechnik.de/rebar-reinforcement