25. SEPTEMBER 2016

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Polymere & Prozesse


Kunststoffe - Metall oder Kunststoff? Das ist die Gretchenfrage, die sich viele Konstrukteure bei der Wahl ihres Werkstoffs stellen. Aus Sicht der Kunststoffexperten der BASF fällt die Antwort leicht: »Mit Kunststoff lässt sich heute mindestens so gut konstruieren wie mit Metall.«

Technisch anspruchsvolle Bauteile aus Kunststoff, wie sie besonders im Automobilbau und in der Elektrotechnik verwendet werden, müssen genau berechnet sein, bevor sie in Serie gefertigt und in Dienst genommen werden können. Die BASF als einer der großen Kunststoffhersteller steckt in ihren anwendungstechnischen Labors viel Know-how in die Entwicklung von Verfahren, die das Verarbeiten der Kunststoffe beim Kunden erleichtern und kostengünstiger gestalten sollen.
Vom Polymer zum Bauteilverhalten
Zu diesen Verfahren gehört beispielsweise ein von der BASF entwickeltes Softwaremodul für die effizientere Bauteilauslegung. Die Eigenschaften faserverstärkter Thermoplast-Bauteile hängen nicht nur von den werkstoffspezifischen Parametern, sondern auch vom Herstellungsprozess ab. So beeinflusst der Füllvorgang den Orientierungsgrad der Verstärkungsfasern und damit die mechanischen Eigenschaften des Materials. Was konventionellen Finite-Elemente-Methoden zur exakten Vorhersage von Eigenschaften hoch beanspruchter Bauteile fehlt, ist die Kenntnis lokaler Werkstoffparameter, die sich erst während des Spritzgießprozesses ergeben. Im Gegensatz dazu soll eine integrative Simulation den Einfluss erfassen, den Bauteilgeometrie und Fertigungsprozess auf die Materialeigenschaften kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste haben. Die BASF hat hierfür das Softwaremodul FIBER entwickelt. FIBER ist ein Baustein, der bei einer Bauteilsimulation zwischen der klassischen Füllsimulation (z.B. MOLDFLOW) und dem konventionellen Programm zur Vorhersage des Bauteilverhaltens (z.B. ABAQUS) eingebaut wird. Integriert in das Gesamtpaket ermöglicht das neue Modul, die Anisotropie an einzelnen Stellen des Bauteils genau vorher zu sagen. Die Leistungsfähigkeit der integrativen Simulation konnte mithilfe eines Torsionsversuchs am realen Bauteil demonstriert werden.
MANN+HUMMEL und die BASF haben in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt die rechnerische Vorhersagegenauigkeit für die Berstdruckfestigkeit von Ansaugrohren auf 90 Prozent verbessert. Dadurch können kostspielige und zeitintensive Prototypenschleifen bei Neuentwicklungen eingespart werden. BASF steuerte das Werkstoff-Know-how, MANN+HUMMEL das Fertigungs-Know-how bei. Beide Partner führten Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) und reale Bauteilprüfungen durch. Das neue Konzept konzentriert sich auf die Vorgänge an der Schweißnaht und berücksichtigt viele Einzeleffekte wie zum Beispiel die lokal unterschiedliche Schweißnahtfestigkeit und Eigenspannungen, die bisher unberücksichtigt waren.
Erste thermoplastische LKW-Ölwanne
Nach mehr als vierjähriger Entwicklungszeit ging im Herbst 2003 ein Bauteil in Serie, das in Form, Farbe und Funktion recht unspektakulär ist. Was die hohen Anforderungen an den eingesetzten Werkstoff betrifft, stellt es jedoch ein Novum dar. Die Motorölwanne DC BR500 ist die erste Thermoplast-Ölwanne für Nutzfahrzeugmotoren weltweit. Bisherige Serienteile bestanden aus Aluminiumdruckguss oder SMC. Deshalb verlieh die Society of Plastics Engineers (SPE) dem Entwickler und Hersteller des Bauteils, der Kunststofftechnik Sachsen (KTSN), im vergangenen Juli den Grand Innovation Award 2003. Die BASF trug mit dem Kunststoff Ultramid und der Entwicklungskompetenz in Konstruktion, Simulation und Prüfung zu diesem Erfolg bei. Um all die Anforderungen nach reduzierter Schallemission, großem Volumen (39 Liter Motoröl), Transportsicherheit und nicht zuletzt der Fertigung im gesteckten Kostenrahmen zu erfüllen, waren umfangreiche Entwicklungsarbeiten nötig. Dazu gehörten nicht nur Moldflow-Analysen, sondern auch Simulationen des statischen Druck- und Absetzverhaltens. Die Berechnung dynamischer Eigenschaften umfasste die Vorhersage der Schwingungszustände bei verschiedenen Anregungen. Schließlich bestätigten experimentelle Modalanalysen mittels Laseroptik, Schallintensitätsmessungen, Prüfungen auf dem Motorprüfstand bei DaimlerChrysler, Fahrversuche, Steinschlagtest, statische und dynamische Berstdruckprüfungen an der fertigen Ölwanne die Berechnungen.
Hybridtechnik ›Kragenfügen‹
Im Jahr 2002 stellte die BASF ein neues Verfahren vor das Kragefügen , mit dem sich Kunststoff und Metall zuverlässig und kostengünstig zu einem Hybridbauteil verbinden lassen. Beim Kragenfügen werden mit einem Stempel sog. Kragen in ein Metallblech gedrückt und dann in einem zweiten Schritt in den Kunststoff gepresst. Im Vergleich zum Fügen während des Spritzgießens bietet das zu den PMA-Verfahren (post moulding assembly) gehörende Kragenfügen dem Konstrukteur mehr Freiheit bei der Gestaltung der Kunststoffkomponente. Gut zwei Jahre nach der ersten Veröffentlichung der Methode hat sich das Kragenfügen bei Temperaturbelastung, bei dynamischer Beanspruchung und im Crashfall bewährt. Der Verbund hält nicht nur im Experiment, sein Verhalten lässt sich mit Simulationen auf Basis von Finite-Elemente-Methoden auch sehr genau vorhersagen. Ein gemeinsam mit dem Automobilzulieferer Visteon entwickelter Frontend-Prototyp erfüllt alle an ihn gestellten Anforderungen. Damit wurde gezeigt, dass komplexe Bauteile mit den gewünschten Eigenschaften durch Kragenfügen realisierbar sind.
Frischer Wind für Mechatronik
In der Elektrotechnik gilt es, elektronische Schaltungen schnell und einfach auf komplexen dreidimensionalen Baukörpern unterzubringen. LPKF, Hersteller von industriellen Laseranlagen, hat ein Verfahren entwickelt, das LDS (Laser-Direkt-Strukturieren), bei dem mittels Laser die Struktur der späteren Leiterbahnen in den Kunststoff graviert wird. Die BASF hat für diese Anwendung ein laserstrukturierbares und hochtemperaturbeständiges Polyamid entwickelt das Ultramid T KR4380LS und stellt es auf der K 2004 vor. Das Material zeichnet sich durch seine hohe Wärmeformbeständigkeit aus. Es hat einen Schmelzpunkt von 295 °C und lässt sich bleifrei löten.
Dr. Sabine Philipp, BASF

Ausgabe:
:K 04/2004
Unternehmen:
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