Optimaler Fluss

von Martine Pfeifer


Die Universität Kaiserslautern liegt an einem bewaldeten Hang. Riesige Zahlen prangen an den Wänden der Gebäude, die zur besseren Orientierung durchnummeriert wurden. Wie in einer Siedlung. Ganz oben am Waldrand, dort wo es fast schon wieder bergab geht, wurde eine hellblaue 58 auf eine Mauer aus Beton gemalt. Dahinter steht das Gebäude des Institutes für Verbundwerkstoffe (IVW).

Das IVW hat 111 Mitarbeiter. Davon sind 70 Wissenschaftler, die Werkstoffe und ihren industriellen Einsatz erforschen. Zum Beispiel Kunststoffe, die in der Automobilproduktion Metallteile ersetzen sollen. Martin Maier ist einer der Wissenschaftler hinter der Nummer 58. Genauer gesagt, Martin Maier ist Abteilungsleiter am IVW und gleichzeitig Professor für Verfahrenstechnik der Universität Kaiserslautern. Ihn interessieren nicht nur optimale Werkstoffe und deren Eigenschaften, sondern auch die besten Verarbeitungsprozesse.

Mehr noch: In Zusammenarbeit mit Helmut Schüle, Professor für Kunststofftechnik an der Fachhochschule Kaiserslautern, entwickelte er ein Computerprogramm zur Simulation des Verhaltens bestimmter Faser-Kunststoff-Verbunde bei der Produktion neuer Autoteile. So ein Programm kann den Herstellern viel Lehrgeld ersparen. Denn bislang bauen deren Werkzeugmacher ihre Formen mit Erfahrung und nach dem Prinzip "Trial and Error". Und das ist teuer. "So ein Werkzeug kann schon mal zwischen 100.000 und 500.000 Euro kosten", erklärt Maier den möglichen Nutzen seines Simulationsprogramms.

Kunststoffe erobern die Autowelt -
Warum Leichtigkeit bei der Autoproduktion Trumpf ist

Auf das Gewicht kommt es an. In den letzten Jahren wurden neue Autos durch zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen immer schwerer. Mit zunehmendem Gewicht verbrauchen die Fahrzeuge auch mehr Kraftstoff. Werden sie zu schwer, lassen sie sich nicht mehr dynamisch und sicher fahren. Deshalb setzt die Automobilindustrie in den vergangenen Jahren immer mehr auf Kunststoffe statt auf Blech. Wissenschaftliche Untersuchungen Ende der neunziger Jahre ergaben, dass Fahrzeuge der gehobenen Mittelklasse schon damals zu über 17 Prozent aus Kunststoffen bestanden. Dieser Anteil hat sich seitdem im Zuge der Weiterentwicklungen in der Automobilindustrie noch erhöht.

 

Fasern vor der Verarbeitung, Quelle: bp

Das sind allerdings nicht irgendwelche Kunststoffe. Gefragt sind zunehmend solche, die mit bestimmten Fasern verstärkt sind. Zum Beispiel langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT). Den Trick mit der Verstärkung durch Fasern gibt es schon seit den fünfziger Jahren. "Die LFT wurden jedoch unter dem Kostendruck in der Automobilindustrie erst Anfang der neunziger Jahre entwickelt", erläutert Maier. Dabei werden einem Kunststoff - meistens Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA) - Glasfasern beigemischt, die länger als einen halben Zentimeter sind. Einzeln sind die Glasfasern dünner als ein Haar. Sie machen das Ausgangsmaterial fester und steifer, nehmen die Kräfte auf, die auf ein Bauteil wirken. Das Ergebnis der Verstärkung: Einfache Kunststoffe erlangen Materialeigenschaften, die mit denen von Metallen zu vergleichen sind. Mit einem gewichtigen Unterschied: Sie wiegen bei gleicher Festigkeit etwa 30 Prozent weniger als des Leichtmetall Aluminium.


Kein Wunder, dass diese Kunststoffe die Autos erobern. Zum Beispiel ein schulterbreites schwarzes Plastikteil, das nach innen gekrümmt und nach außen gebogen ist. In der Hand wiegt es weniger als eine volle Milchtüte. Rechts und links von der Mitte zwei Würfel. In sie sollen die beiden Stangen einer Kopfstütze gesteckt werden. Das Teil ist ein Querbalken für einen Autositz.

Ein Integralbauteil, gefertigt aus LFT. Eines von vielen, denn LFT werden heute unter anderem für Halterungen, Träger, Verkleidungen von Unterböden, Kofferraumabdeckungen und Frontenden von Autos eingesetzt. Die neuen Werkstoffe machen bestimmte Fahrzeugteile nicht nur leichter. "Spritzgegossene LFT nehmen in ihrer Bedeutung zu. Sie ersetzen nicht nur, sondern eröffnen Raum für neue Anwendungen", erklärt Markus Steffens, Geschäftsführer der Firma ADETE. Steffens entwickelte das Sitzteil zusammen mit einem Hersteller für Autositze im Rahmen seiner Doktorarbeit am IVW.

Bauteil aus LFT vor und nach der Verarbeitung, Quelle: bp
Wäre da nicht das Problem mit dem Spritzguss. Teile aus LFT werden im Spritzgießverfahren gefertigt. Dafür muss eine Spritzform, ein Werkzeug, hergestellt werden, in dem sich die geschmolzene Kunststoffmasse und die in ihr enthaltenen Fasern gleichmäßig verteilen sollen. Alle Ecken und Kanten sollen ausgefüllt werden und Vakuumeinschlüsse sowie Einfallstellen im Bauteil, sogenannte Lunker, sind unerwünscht. "Bei Faser-Kunststoff-Verbunden mit Faserverstärkung heißt das zusätzlich, dass diese sich bei der Verarbeitung nicht entmischen. Die Fasern sollen überallhin gelangen, sich gleichmäßig verteilen und wenn möglich noch in einer gewünschten Richtung liegen", erklärt Maier.

Mehr Sicherheit, weniger Kosten -
Welchen Nutzen die Simulation bietet

Um zu erreichen, dass sich die Fasern gleichmäßig verteilen und in der gewünschten Richtung liegen, muss auch das Werkzeug entsprechend konstruiert sein und Wissen über das Fließverhalten der Faser-Kunststoff-Masse bestehen. In einem mühsamen Prozess schleifen und feilen deshalb die Werkzeugmacher der Hersteller solange an den Spritzformen, bis das Ergebnis passt. Musterteile werden gefertigt. Passt es nicht, muss ein neues Werkzeug gefertigt werden. Ein teures und langwieriges Verfahren, das Maier gerne ersetzt hätte. "Durch eine Simulation des Spritzgussvorgangs am Computer können Fehler vermieden und eine höhere Sicherheit bei der Werkzeugauslegung erlangt werden", beschreibt der Professor. Konstruktion und Entwicklung seien dann billiger und auch schneller.

Grundlage einer solchen Simulation ist allerdings das Wissen über das Verhalten der Materialien bei ihrer Verarbeitung. Hier kam Helmut Schüle als Spezialist für Kunststoffverarbeitung auf den Plan.

Er untersuchte zusammen mit Maier die Fließeigenschaften der LFT: PP mit einer Faserkonzentration von Null, 30, 40 und 50 Prozent. Um den Einfluss von Faktoren wie Druck, Temperatur und Einspritzgeschwindigkeit auf die Verteilung des Faser-Kunststoff-Gemisches zu untersuchen, entwickelte Schüle zusammen mit seinen Studenten eine besondere Messdüse, die an eine herkömmliche Spritzgussmaschine angeflanscht werden kann. "So konnten wir während des Spritzvorgangs Daten über das Fließverhalten der LFT sammeln", erzählt Schüle.

Komplizierte Mathematik -
Wie das Fließverhalten am Computer simuliert wird

 
Sitzquertraverse als Beispiel für die Simulation, Quelle: A. Reinhardt

Im Ton-Beitrag stellt Professor Martin Meier sich und seine Forschung vor.

Der Rest der Forschung war Mathematik: Um ihre Ergebnisse in das gesuchte Computerprogramm zur Simulation des Spritzgießens einzubauen, mussten die Daten und das Zusammenspiel aller Faktoren in mathematische Formeln gefasst werden. Dabei arbeitete Maier mit dem Team von Konrad Steiner am Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) in Kaiserslautern zusammen. Gemeinsam erstellten sie Materialmodelle, die das Fließverhalten der verschiedenen Werkstoffe beschreiben.

Diese Materialmodelle wurden in die Basis eines bestehenden Computerprogramms eingebaut. Auch hier arbeitete Maier im Forscherverbund. Das ITWM hatte Kontakt zum Aachener Softwarehaus Sigmasoft. "Und Sigmasoft vertreibt ein Programm zur dreidimensionalen Simulation des Spritzgusses von kurzfaserverstärkten Thermoplasten (SFT)", erläutert Maier den Schritt. Mit diesem Programm kann die Verarbeitung von SFT schon sehr genau simuliert werden. Maier setzte auf dem Programm mit seinen langfaserverstärkten Kunststoffen auf. Er brachte seine Modelle dem Programm aus Aachen bei und testete die Ergebnisse der Simulation für den Spritzgießvorgang an dem von Steffens entwickelten Autositzteil.

Mit Erfolg, der Computer traf die Realität. Dennoch lehnt sich Maier nicht entspannt zurück. Offen blieb nämlich bislang die Fähigkeit seines Programms, die Faserausrichtung im Werkstück vorherzusagen. "Die Grundlagen für ein solches Simulationsprogramm wurden aber gelegt, es müsste nur noch umgesetzt werden", weiß der Wissenschaftler. Der Rechenaufwand sei aber bisher noch so groß, dass es sich nicht lohnen würde. So könne zwar der Einfluss heute dreidimensional simuliert, die Faserorientierung jedoch nur annäherungsweise berechnet werden. Für die Forscher aus dem Haus mit der hellblauen 58 gibt es noch etwas zu tun.