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Orga­no­bleche – leicht und flexibel im Verbund

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Alexander Freimark

Alexander Freimark

freier Journalist

Übergewicht ist nicht nur im Privatleben ein Thema, auch die Industrie kämpft an vielen Stellen gegen Problemzonen. Mit sogenannten Organoble­chen bietet sich die Gelegenheit, wirtschaft­liche Verarbei­tungs­pro­zesse und geringes Gewicht ideal zu kombinieren.

15. Juli 2015

Die offizielle Verlautba­rung zum neuen Audi Q7 zeigt, was auch 2015 in der automobilen Oberklasse Priorität hat: „Der große SUV ist bis zu 325 Kilogramm leichter als sein Vorgänger­mo­dell und emittiert pro Kilometer bis zu 50 Gramm weniger CO2“, heißt es bereits im zweiten Satz der Ankündigung. Fakt ist: Das Thema „Leichtbau“ ist längst nicht ausgereizt, sondern ein wichtiges Erfolgskri­te­rium. „Getrieben wird der Leichtbau unter anderem durch gesetzliche Anforderungen hinsicht­lich des CO2-Ausstoßes“, bestätigt FERCHAU-Mitarbeiter Oleg Konrad, der im BMW-Kompetenz­zen­trum für Leichtbau in Landshut tätig ist und an der Entwicklung neuer und wirtschaft­li­cher Leichtbau-Technolo­gien arbeitet. Gerade bei alternativen Antrieben sei eine Gewichts­op­ti­mie­rung entschei­dend, argumentiert der Ingenieur, da dies direkt der Reichweite zugutekommt.

50 Prozent weniger Gewicht als Stahlblech

Ein aktueller Hoffnungs­träger für Leichtbauer sind Organobleche. Dem Namen nach handelt es sich bei Organoble­chen um Kunststoffe aus der organischen Chemie, die in Form von Platten als Halbzeuge angeliefert werden. In die Kunststoff­ma­trix eingelassen ist ein Gewebe aus Glasfaser, Kohlenstoff­faser oder Aramid, das dem Werkstoff eine feste Struktur verleihen – ein thermoplas­ti­scher Faserver­bund ähnlich wie das klassische „Carbon“ (Carbonfaser-verstärkter Kunststoff – CFK). „Faser-Kunststoff-Verbunde bieten aufgrund der hohen gewichts­spe­zi­fi­schen Steifigkeit und Festigkeit im Vergleich zum Stahl eine Gewichts­er­sparnis von rund 50 Prozent und zum Aluminium von bis zu 30 Prozent“, berichtet FERCHAU-Ingenieur Konrad aus der Praxis. Ein Beispiel: Im Vergleich zum Original­de­sign einer Sitzschale des Opel Astra OPC konnte das Gewicht des Bauteils mit Organoblech um 45 Prozent von 1,5 kg auf 0,8 kg gesenkt werden.

Verarbei­tung schneller als bei CFK

„Organoble­chen gehört die Zukunft“, sagt daher auch Danilo Mattheß, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkzeug­ma­schinen und Umformtechnik IWU in Dresden. „Ein entschei­dender Vorteil gegenüber konventio­nellen duroplas­ti­schen CFK-Werkstoffen ist, dass die Verarbei­tung deutlich schneller abläuft und so die Prozesszeit verkürzt werden kann.“ Für sehr hohe Belastungen hat Carbon dem Stahl in den vergangenen Jahren vielfach den Rang abgelaufen – etwa bei Tennisschlä­gern, Windkraft­an­lagen, Fahrradrahmen sowie Rennwagen- und Flugzeug­teilen. Doch die Vorteile sind teuer erkauft: Der Werkstoff wird meistens in einem aufwendigen Handlami­nier­ver­fahren hergestellt, was sich nur selten für Großserien eignet, erläutert Fraunhofer-Experte Mattheß: „Die Mischung der Chemikalien sowie die Aushärtung im Autoklaven bei über 100 °C sind sehr aufwändig, und die Kohlenstoff­fa­sern sind aufgrund des Herstellungs­pro­zesses teuer.“

Serienfertig machbar und bezahlbar

Hier spielt das Organoblech seine Vorteile aus, denn das Gewebe ist mit einer Matrix aus petroche­mi­schen Thermoplasten wie Polypropylen oder Polyamid umschlossen. Im Gegensatz zum duroplas­ti­schen Carbonver­bund lässt sich dieses als Halbzeug leicht erwärmen – wiederauf­schmelzen – und in Form bringen, wodurch Serienfer­ti­gung machbar und bezahlbar wird. „Nach aktuellem Stand der Technik benötigt man beim Hochdruck-Harzinjek­ti­ons­ver­fahren (HD-RTM – „Hochdruck Resin Transfer Moulding“) für ein Bauteil aus Duroplast zirka fünf Minuten, während bei der Thermoplast-Technologie mit Organoblech einschlie­ß­lich der Funktiona­li­sie­rung etwa 60 Sekunden möglich sind“, sagt FERCHAU-Experte Konrad.

Durch diese Funktiona­li­sie­rung punkten Organobleche auch bei der Flexibilität: „Nach dem Umformen lassen sich Organobleche gezielt mit Thermoplast hinterspritzen, um Rippen, Versteifungen und Anbindungs­ele­mente an kritischen Stellen und ohne Fügeopera­tionen zu erhalten“, verweist Konrad auf einen Vorteil der Technologie. Die relative „Designfrei­heit“ mache es ebenfalls möglich, mehrere Metallteile, die früher aufwändig verbunden werden mussten, durch ein komplexes Bauteil aus Kunststoff zu substitu­ieren. „Zudem lassen sich kleine Organobleche als lokale Patches zur Kraftein­lei­tung und Verstärkung in größeren Spritzguss­bau­teilen einsetzen.“

Große Auswahl bei Halbzeugen

Fraunhofer-Mitarbeiter Mattheß zufolge lässt sich bei faserver­stärkten Kunststoffen der Laminataufbau frei wählen, wobei die Fasern in verschie­denen Lagen längs, quer und diagonal gelegt werden können. Dies sowie die Wahl des Thermoplasts erweitern die Optionen bei den Halbzeugen. Allerdings dürfe man nicht davon ausgehen, bestehende Metallteile einfach mit einem Organoblech zu ersetzen: „Jedes Werkstück sollte von Grund auf neu entwickelt und ausgelegt werden, um Funktionen zusammen­zu­fassen und das volle Potential auszuschöpfen.“

Syntheti­sche Fasern versus nachwach­sende Rohstoffe

Derweil schreitet die Arbeit an den Grundlagen der Organobleche weiter voran. „In einem Forschungs­pro­jekt haben wir die syntheti­schen Fasern und die petroche­mi­schen Matrix-Polymere durch nachwach­sende Rohstoffe ersetzt“, berichtet Sylvia Franke-Jordan, Ingenieurin an der Fakultät Maschinen­wesen der TU Dresden. Die biobasierten Naturfaser-Organobleche aus Sachsen seien nicht nur vollständig recycelbar, sondern würden ein geringeres Gewicht als die künstlichen Geschwister haben, den Schall wirkungs­voller dämpfen und ein besseres Crash-Verhalten aufweisen, so Franke-Jordan. „Ziel ist es, dank der Ressourcen­scho­nung und der Energiebi­lanz sowie den guten Recycling-Eigenschaften nachhaltige Produkte leichter umzusetzen.“

Das Fraunhofer IWU in Dresden wiederum beschäftigt sich mit dem Prozess der Erwärmung und Umformung von Organoble­chen. „Die aktuell genutzten Infrarot­strahler erleiden große Verluste durch Konvektion und Abstrahlung“, sagt Wissenschaftler Mattheß. Daher hat das Institut feine Drähte in das Halbzeug eingebracht, an die sich eine Spannung anlegen lässt: „Dadurch erwärmen wir das Blech von innen und können auf Strahlungs­er­wär­mung verzichten.“ Im vergangenen Jahr wurde das Projekt mit einem Demonstrator abgeschlossen, nun wollen die Forscher die Metalldrähte für die Sensorik nutzen, erläutert Mattheß. Dann beschwert sich der Stoßfänger im Cockpit, wenn er beim Einparken deformiert wird.

Zukunft bedeutet die Koexistenz verschie­dener Werkstoffe

Für viele Unternehmen ist das Thema „Organoble­che“ noch sehr neu, und sie investieren erst einmal in Pilotpro­jekte. Wie immer gilt: Innovative Verfahren müssen schneller, besser, stabiler und billiger sein, damit Firmen im großen Stil umsteigen. Eine Revolution ist nicht zu erwarten, sondern eine evolutio­näre Entwicklung: „Organoblech wird Stahl und Aluminium nicht vollständig verdrängen“, prognosti­ziert Fraunhofer-Experte Mattheß, „aber es ist keine Frage, dass immer mehr Bauteile ersetzt werden.“ Auch Ingenieur Oleg Konrad, der für FERCHAU bei BMW in der „Technolo­gie­ent­wick­lung Kunststoff Exterieur“ tätig ist, sieht noch sinnvolle Einsatzbe­reiche für Stahl. Schließlich sei die Gewichts­op­ti­mie­rung kein „entweder/oder“: „Wir suchen immer für jedes Bauteil in Stahl, Alu, CFK oder Organoblech nach dem besten Kompromiss aus Kosten und Performance.“