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Sheet Molding Compounds Glasfaserverstärktes Epoxid-SMC als Alternative zu Carbon

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Der Automobilleichtbau setzt häufig auf teures Carbon. Lorenz Kunststofftechnik setzt hier eher auf glasfaserverstärkte Epoxid-Sheet Mould Compounds. Sie haben vergleichbar hohe Festigkeitswerte wie Kohlenstofffasern und sind zudem 50 % günstiger in der Herstellung.

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Unter Verwendung des Diamin-basierten Epoxidhärters VestaliteS konnte auf Basis einer bewährten SMC-Grundrezeptur ein Material entwickelt werden, das die Anforderungen an den modernen Leichtbau erfüllt und sich für die Verwendung in der Großserienfertigung eignet.
Unter Verwendung des Diamin-basierten Epoxidhärters VestaliteS konnte auf Basis einer bewährten SMC-Grundrezeptur ein Material entwickelt werden, das die Anforderungen an den modernen Leichtbau erfüllt und sich für die Verwendung in der Großserienfertigung eignet.
(Bild: Evonic)

Herkömmliche Standard-SMCs (Sheet Molded Compounds), die mit Polyesterharzen hergestellt werden, weisen in der Regel mechanische Eigenschaften wie eine Biegefestigkeit von 200 MPa, ein Biege-E-modul von 10.000 MPa und eine Schlagzähigkeit 90 kJ/m2 bei einer Dichte zwischen 1,7 g/cm³ und 1,85 g/cm³ auf. Sie eignen sich für verschiedenste Applikationen in der Elektro- und Automobilindustrie, darunter beispielsweise für Innenverkleidungen und Radkappen.

Praxistauglichkeit von glasfaserverstärkten Epoxid-SMCs

Gerade im Fahrzeugbau steigt jedoch der Bedarf an Materialien mit geringerer Dichte – und somit weniger Masse – sowie verbesserten mechanischen Eigenschaften wie einer Biegefestigkeit von > 350 MPa, einem Biege-E-Modul von > 18.500 MPa und einer Schlagzähigkeit > 150 kJ/m2. „Mit SMCs, deren Rezeptur Epoxid- statt Polyesterharze enthält, können diese Werte erreicht werden“, erklärt Peter Ooms, Vertriebsleiter bei der Lorenz Kunststofftechnik GmbH. „Allerdings war die Verarbeitung dieser Duroplaste häufig problematisch und die Pressmassen schwierig zu formen, was die Designfreiheit sehr einschränkte. Bisherige glasfaserverstärkte Epoxid-SMCs waren somit nicht praxistauglich und haben es daher kaum zur Marktreife für die Großserie geschafft.“

Sheet Molding Compound

Sheet Molding Compound (SMC), englisch, bezeichnet plattenförmige, teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden. In SMC liegen alle nötigen Komponenten vollständig vorgemischt, fertig zur Verarbeitung vor. Faser-Matrix-Massen, die nicht als Platten geliefert werden, heißen auch Bulk Molding Compound.
In der Regel werden Polyester- oder Vinylesterharze verwendet. Die Verstärkungsfasern liegen als Schnittfasern, seltener in Matten- oder Gewebeform, vor, deren typische Faserlänge 25,4 mm (1 Zoll) beträgt. Eigenschaften und Bezeichnungen von SMC sind in der EN 14598 geregelt. Man unterscheidet die folgenden SMC-Typen:

  • SMC-LP low profile: System mit hoher Oberflächengüte
  • SMC-LS low shrink: System mit niedrigem Reaktionsschwund
  • C-SMC: System mit endlosen, gerichteten Fasern

Bei Anwendungen, die ein hohes Maß an Leichtbau erfordern, wird daher im Automobilleichtbau häufig auf teures Carbon gesetzt. Lorenz setzt dagegen klar auf Glasfasern. „Glasfaserverstärkte Epoxid-SMCs, weisen vergleichbar hohe Festigkeitswerte wie Kohlenstofffasern auf, sind in der Herstellung aber um 50 % günstiger“, so Ooms. Darüber hinaus hat Lorenz ein etabliertes Verfahren zum Recycling von Glasfaserverstärkten SMC-Materialien, im Hinblick Nachhaltigkeits-Anforderungen der Automobilindustrie ein wichtiges Argument.

Spezieller Härter für SMC-Material

Ein neues glasfaserverstärktes Epoxid-SMC ohne die bisherigen materialtypischen Schwächen könnte diese Ansprüche nun jedoch erfüllen. Die Voraussetzung dafür bildet ein von Evonik entwickelter Härter. „VestaliteS ist ein Diamin-basierter Epoxidhärter, der in Kombination mit Epoxidharzen ein einfach und schnell zu verarbeitendes SMC-Material ergibt", erklärt Dr.-Ing. Leif Ickert, verantwortlich für das Marketing Composites and Adhesives, Geschäftsgebiet Crosslinkers bei der Evonik Resource Efficiency GmbH.

Compound härtet innerhalb von 3 min

So weisen Compounds mit diesem Härter eine hohe Lagerstabilität der SMC-Pressmasse im nicht ausgehärteten Zustand auf und erlauben trotzdem eine schnelle Aushärtung im Herstellprozess innerhalb von drei Minuten. „Außerdem sind die Fließ- und Entformeigenschaften des Halbzeugs beim Verpressen verbessert, was eine hohe Bauteilqualität ermöglicht“, so Ickert weiter. Hinzu komme, dass SMC mit VestaliteS keine Styrol- sowie lediglich geringe VOC-Emissionen aufweisen und damit unter anderem für Innenraumkomponenten im Auto gut geeignet sind.

Für die Entwicklung eines entsprechenden SMCs arbeitet Evonik seit 2018 auch mit den Duroplast-Experten von Lorenz Kunststoffe zusammen. „Durch diese Art der Kooperation sowie ergänzende Analysen und Fallstudien – beispielsweise im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Alliance – möchten wir aufzeigen, dass unser Härter in Epoxid-SMC die gewünschten Eigenschaften erzeugen kann“, erläutert Ickert. So bringe Evonik die Kompetenz des Epoxidhärters ein, die Kompetenz für das Halbzeug SMC-Compound komme dabei vom Partner Lorenz Kunststofftechnik. Ein Joint Venture mit der Vestaro GmbH bringe zudem die Dimension der Fahrzeugtechnik und Technologieberatung ein.

Seminartipp

Das Seminar Leichtbauwerkstoffe in der Konstruktion vermittelt Methoden, Gestaltungsprinzipien und Bauweisen für Leichtbaukonstruktionen. Die Teilnehmer erhalten einen Überblick zu verschiedenen Leichtbauwerkstoffen, lernen Kriterien für die Werkstoffauswahl kennen und erfahren, welche Vor- und Nachteile sowie Risiken die verschiedenen Werkstoffe mit sich bringen.

SMC-Grundrezept etwas abgewandelt

Ziel war es nun, ein Compound zu realisieren, das das Potenzial von Epoxid-SMC optimal nutzt – also alle Eigenschaften aufweist, die ein Material für den Leichtbau von Automobil- und anderen Komponenten ideal machen. Das niedersächsische Unternehmen hatte bereits vor sechs Jahren mit SMC 0208 ein im Vergleich zu anderen Standard-SMC besonders flammen- und korrosionsfestes Halbzeug entwickelt, das beispielsweise für Konstruktions- oder Umformteile eingesetzt wird. „Wir haben unsere SMC-Grundrezeptur auch für das Epoxid-SMC genutzt, sie jedoch etwas abgewandelt“, erklärt Ooms. „Das übliche UP-Harz haben wir durch Epoxidharz ersetzt und auch einige weitere Komponenten ausgetauscht. Als wesentliche Zutat wurde natürlich VestaliteS zugemischt.“

Das Ergebnis ist ein Verbundmaterial aus Epoxid, Glasfaser-Verstärkung und Füllstoffen, das eine Dichte zwischen 1,5 g/cm³ und 1,7 g/cm³ sowie einen guten Fließwert besitzt und nicht mehr im Werkzeug klebt.

Darüber hinaus weist es die folgenden mechanischen Eigenschaften auf:

  • eine Biegefestigkeit von > 350 MPa
  • ein Biege-E-modul von > 18.500 MPa
  • eine Schlagzähigkeit > 150 kJ/m2

Compound mit einstellbaren Eigenschaften

Das Epoxid-SMC eignet sich beispielsweise als Material für das Batteriegehäuse von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Diese Komponente wird bislang aus Stahl oder Aluminium gefertigt, da sie wegen des hohen Gewichts der Batterie sehr stabil und belastbar sein muss, bei Unfällen entstehende kinetische Kräfte abfangen soll und gleichzeitig kein zusätzliches Risiko im Brandfall darstellen darf. Das neue Halbzeug erfüllt diese Ansprüche und erlaubt durch die hohe Designfreiheit ein hohes Maß an Bauteil- und Funktionsintegration mit dem Effekt, Kosten und Gewicht zu reduzieren sowie die Sicherheit zu erhöhen.

Doppelt so schwer entflammbar

Bei Carbon liegen Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit dagegen bei durchschnittlich 320 MPa beziehungsweise 55 kJ/m2. Aufgrund seiner Basisrezeptur behält das neue Halbzeug gleichzeitig die Vorteile von SMC allgemein, darunter ein sehr gutes Fließverhalten. „Im Gegensatz zu anderen Kunststoffen sind kaum brennbare Erdöl-Derivate in der Zusammensetzung enthalten“, so Ooms.

„Mit einem Sauerstoffindex von >65 % ist es doppelt so schwer entflammbar wie übliche Kunststoffe, die als extrem flammfest gelten.“ Selbst bei Beaufschlagung mit einer offenen Flamme erlischt es innerhalb kürzester Zeit selbständig und neigt auch bei großer Hitze nicht zu Verformungen oder zum Tropfen. Darüber hinaus behält das Compound auch bei Temperaturen von -30 °C eine hohe Schlagzähigkeit, so dass kein Risiko von Materialsprödigkeit oder Brüchen besteht.

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