FRIMO Street Shark – zum Greifen nah

09 / 2013 - Die besondere Mikrostruktur an der Körperoberfläche von Haifischen gehört zu den faszinierendsten Beispielen der Bionik. Die zahnförmigen Plättchen der Haihaut verringern signifikant den Strömungswiderstand, so dass der Mensch schon lange versucht, diesen Effekt zu imitieren. Mittels neuartiger Polyurethan-Composites und dem Einsatz darauf abgestimmter Werkzeug- und Anlagentechnologien können bionische Oberflächen nun auch für Fahrzeugoberflächen realisiert werden. Auf der Composites Europe 2013 in Stuttgart stellt FRIMO vom 17.-19. September 2013 den „Street-Shark“ erstmals einem breiten Fachpublikum vor.

Seit über zwei Jahren arbeiten die beiden PUR Spezialisten FRIMO und Huntsman Polyurethanes an der Entwicklung von Polyurethanmatrix-Systemen für die Composites-Serienproduktion eng zusammen. Auf der Basis der Vitrox®-Technologie von Huntsman ist heute die Herstellung von Hochleistungs-Faserverbundbauteilen mit Polyurethan-Matrix möglich. Das neuartige Konzept ist wirtschaftlicher im Großserieneinsatz und gleichzeitig robuster als herkömmliche Verarbeitungsmethoden auf der Basis von Epoxidharz. Auf der anderen Seite bietet es eine Reihe von Vorteilen, welche die Erzeugung bionischer Oberflächen (luftwiderstandsreduzierende Haihaut, Lotus-Effekt u. ä.) werkzeugfallend möglich machen. Damit ist zum Beispiel eine Haihautoberfläche auf einem Hochleistungs-Composite-Bauteil — auch großflächig — erstmals darstellbar.
Serienfertigung in greifbarer Nähe
Huntsman Polyurethanes hat seine unter dem Namen Vitrox® angebotene Polyurethan-Systemtechnologie so weiterentwickelt, dass eine niedrige Viskosität für einen nahezu beliebig wählbaren Zeitraum ab Vermischungsbeginn beibehalten werden kann. Unmittelbar nach Ablauf  dieses Zeitraumes (vorzugsweise der Injektionszeit) verläuft die Reaktion des Materials  dann schlagartig (snap cure).

Dies hat erhebliche Vorteile bei der RTM Produktion von PUR-Composites. So reduziert sich aufgrund des Reaktionsverhaltens der erforderliche Fließwiderstand zum Füllen der Kavität signifikant, so dass nur vergleichsweise geringe Schließkräfte zum Zuhalten der Werkzeuge benötigt werden. Insofern können anstelle von Pressen mit hohen Zuhaltekräften (>1.000 t pro 1m² Bauteilgröße), wie sie bei den heutigen Epoxidharz- oder Polyurethan- Composites erforderlich sind, standardisierte Werkzeuge und Werkzeugträger mit geringen Schließkräften eingesetzt werden. Damit lassen sich wie beim PUR Schäumen wirtschaftliche Großserienverfahren darstellen. Die gegenüber Epoxid-Systemen deutlich höhere Glasübergangstemperatur der Vitrox®-PUR-Systeme bis zu 280°C erlaubt es zudem, Bauteile auch durch eine KTL-Lackierung zu schicken.
Geringe Drücke und Temperaturen erlauben IMC
Auf dem Gebiet der Haihäute wird schon seit vielen Jahren experimentiert. Bis dato war eine Bauteilherstellung in einem prozesssicheren werkzeugfallenden Fertigungsverfahren allerdings noch nicht verfügbar. Durch den von FRIMO und Huntsman völlig neuartigen Denkansatz wurde eine Lösung erarbeitet, die einen Fertigungsprozess möglich macht, der mit geringen Innendrücken von unter 10 bar auskommt. Dies erlaubt auch den Einsatz von speziellen Werkzeugoberflächen. Als Spezialist für das nahezu komplette Spektrum von Oberflächentechnologien, wie sie im automobilen Sektor eingesetzt werden, initiierte FRIMO ein Kooperationsprojekt zur Umsetzung einer bionischen Oberfläche im Serienmaßstab.

Gemeinsam mit dem Entwicklungspartner Eschmann-Textures realisierte FRIMO die detailgenaue Abformung einer Haihaut-Oberfläche. Auf diese Weise sind neben der Haifischhaut auch andere bionische und technische Oberflächen darstellbar.

Da  der  hier beschriebene Produktionsprozess mit Vitrox® nahezu isotherm verläuft  und die maximal auftretende Temperatur mit <100°C vergleichsweise gering ausfällt, ist auch ein In-Mold–Coating (IMC) möglich. Durch das Lackieren im Werkzeug vor dem Fertigungsprozess kann vermieden werden, dass die relativ fein strukturierte Oberfläche der Bauteile durch einen späteren Lackiervorgang zugeschlämmt wird.
Street-Shark
Der „Street Shark“ ist ein BMW Z4 mit Motorhaube und Dachmodul aus einem Vitrox® basierten Composite in 3D-Core-Sandwich Ausführung mit einer Haihaut-Oberfläche. Als erstes prototypisches Bauteil entstand in Zusammenarbeit mit der Firma 3D-Core, einem Kooperationspartner von FRIMO, der sich u. a. mit dem Bootsbau beschäftigt, eine Motorhaube für einen BMW Z4 in einer gewichtsoptimierten Sandwich-Bauweise. Für die Haihaut-Oberfläche wurde von Eschmann-Textures ein Werkzeug mit einer Oberflächen-Geometrie, die von einem echten Hai abgeformt wurde, versehen. Die Firma ISL (Berlac Group) zeichnet verantwortlich für das Lacksystem. Das Styling des Fahrzeugs bzw. die Geometrie sind durch den Rennsport geprägt und durch Dstyle entwickelt und festgelegt.

In einem Windkanaltest konnte durch den Einsatz dieser Motorhaube eine Verringerung des Staudrucks vor der Windschutzscheibe ermittelt werden und damit auch eine Verbesserung des cw-Wertes erzielt werden. Dies ist nicht nur im Bereich des Fahrzeug-Tunings, sondern durchaus auch für Serienfahrzeuge, Rennsport, Schiffsbau, Flugzeugbau und Hochgeschwindigkeitszüge äußerst interessant. Weitere Untersuchungen, u.a. mit dem Heckflügel eines Rennsport-Fahrzeugs, sollen zusätzliche Informationen bringen, beispielsweise über das Zusammenspiel von Abtrieb und Luftwiderstand. Darüber hinaus werden Aspekte wie Verschmutzungsanfälligkeit, Abriebfestigkeit, Waschstraßenverhalten, und vieles mehr getestet.

Mit diesem Kooperationsprojekt präsentiert FRIMO nicht nur die Entwicklung eines revolutionären Composite Systems, sondern untermauert gleichzeitig seinen Anspruch, als Technologiepartner zukunftsweisende und nachhaltige Lösungen zur Fertigung von Faserverbundbauteilen  zu entwickeln.

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