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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.“