Magazine Dezember 2016

Die textile Welt im Blick: Von ITMA-Rückblick bis Industrie 4.0

Karosserie: Vom Trabant zur modernen Leichtbauweise

Das wohl bekannteste Beispiel für alternative Leichtbaustrukturen ist der „Trabi“, der Trabant 601, welcher das Standardfahrzeug in der DDR war und in Deutschland heute noch Kultstatus genießt. Seine äußere Beplankung besteht aus kurzen Baumwoll- fasern (Linters). Da diese zum Garnspinnen nicht lang genug sind, werden sie zu Vliesmatten verdichtet, mit Phenolharz gemischt und durch Heißpressen geformt. Stabilität, Wetterfestigkeit und vor allem die Verfügbarkeit der Rohstoffe waren damals die großen Vorteile dieser Bauweise.

Mit den Veränderungen am Automobil gehen auch die steigenden Anforderungen an die Automobilindustrie einher. Diese sieht sich mit knapper werdenden Ressourcen, steigenden Rohstoffpreisen und einem enormen Preis- und Wettbewerbsdruck, aber auch mit wachsender Fahrzeugproduktion konfrontiert. Zudem erwarten Kunden der Automobilhersteller neben ansprechendem Design immer mehr Komfort, Funktion und Sicherheit bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung.

Diese Anforderungen lösen folglich einen Trend hin zu leichten Werkstoffen, zum Beispiel Vliesstoffen, aus. Schon heute kommen mehr als 35 Quadratmeter textile Flächen in durchschnittlich 40 Anwendungen je Fahrzeug zum Einsatz [Newsletter 4/2011]. Das entspricht Experten zufolge einem etwa 25 Kilogramm-Anteil an technischen Textilien je Neuwagen. Künftig soll der faserbasierte Werkstoffanteil auf 30 bis 35 Kilogramm ansteigen. Es wird davon ausgegangen, dass davon 50–60 Prozent von Vliesstoffen und 40–50 Prozent von anderen textilen Flächengebilden abgebildet wird.

Die Verwendung von Faserverbundkunststoffen (FVK) sorgt für wesentliche Verbesserungen von Bauteil- eigenschaften und macht insbesondere Leichtbaustrukturen möglich. Ursprünglich für die Luft- und Raumfahrt entwickelt, hält der Leichtbau auch in der Verkehrstechnik Einzug. Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) finden immer mehr Anwendungen, zum Beispiel als Blattfedern, Antriebswellen, Verkleidungen bis hin zu ganzen Karosserieteilen.

Türverkleidungen können mit dem Hybridverfahren (Multimaterialbauweise) auf bis zu 60 Prozent ihres Gewichts reduziert werden.

Im Vergleich mit Spritzgussteilen bedeutet dies die Gewichtsreduktion eines Mittelklasseautos um 100 Kilogramm und senkt dessen Kraftstoffverbrauch um bis zu 0,3 Liter pro 100 Kilometer Fahrleistung.

Carbonfaserprozess – da geht’s ganz schön heiß zur Sache

Vliesstoffe werden unter anderem im Karosseriebau als Leichtbaustruktur verwendet. Doch wie wird aus Kohlestofffasern ein Bauteil wie zum Beispiel ein Autodach?

Reiner Kohlenstoff kommt in der Natur als Grafit oder Diamant vor, wobei beide Stoffe unlöslich und unschmelzbar und damit ungeeignet für die direkte Faserherstellung sind. Kohlenstofffasern liegen erst als sogenannte Precursorfasern wie Aramid-, Viskose- oder Polyacrylnitrilfasern vor und werden in einem dreistufigen Prozess (fixieren – karbonisieren – grafitisieren) unter stetigem Temperaturanstieg von 180°C bis hin zu 3.000°C thermisch bearbeitet.

Diese so hergestellten Carbonfasern weisen eine hohe Festigkeit, Zugelastizität und Schwingungsdämpfung auf, weshalb sie gerne im Leichtbau verwendet werden. Neben ihrer Korrosionsbeständigkeit sind Kohlefasern aber auch elektrisch leitfähig sowie sehr spröde. Aus diesen Gründen werden Vliesstoffe selten direkt aus Carbonfasern hergestellt. Stattdessen werden Nadelfilze aus Precursorfasern produziert, welche anschließend dem Karbonisierungsprozess unterzogen werden.

Ähnlich der Trabantherstellung werden auch die Carbonfasermatten anschließend mit Harzen getränkt, geformt und ausgehärtet, um ihre finale Dimensionsstabilität als Karosserieteil zu erhalten.

Für die Vernadelung von Precursorfasern zu Hochleistungsmaterialien steuert Groz-Beckert seinen Anteil in Form von leistungsstarken Nadeln zur Flachvernadelung bei. Nadeln von Groz-Beckert mit einem Standard-Dreikant stehen für hohe Oberflächenqualität und gleichmäßige Auslenkung in alle Belastungsrichtungen sowie eine hohe Lebensdauer.

Erleben Sie das Prinzip der Vernadelung als Animation auf der Groz-Beckert Homepage oder in der myGroz-Beckert App.

Innenleben: nicht sichtbare Vliesstoffe

Durch innovative Materialien und Fertigungsverfahren bieten Vliesstoffe im Automobil Vorteile hinsichtlich Gewicht, Funktion und Design. Das gilt für den Fahrzeugaußen- und -innenbereich sowie für sichtbare und nicht sichtbare Anwendungen. Sie eignen sich als Dekorationsmaterial, werden aber auch unterflächig eingesetzt, wo sie meist als Trägermaterial – zum Beispiel für Syntheseleder oder an Dämpfungen und Dämmungen – fungieren. Im Innenbereich werden zunehmend umweltfreundliche und recyclinggerechte Materialien verwendet, die möglichst auch zur Massereduzierung der Fahrzeuge beitragen. Der Anteil der nicht sichtbaren Vliesstoffe im Automobil beträgt 90 Prozent. Die Einsatzgebiete, in denen Vliesstoffe im Verborgenen wirken, sind unter anderem Bremsscheiben, Filter, Auspuffsysteme oder Batterien.

Die restlichen zehn sichtbaren Prozent sind Anwendungen wie zum Beispiel Tür- und Seitenverkleidungen, Hut-/Heckablage oder Dachhimmel. Besonders bei den sichtbaren Nonwovens im Autoinnenraum spielt die Oberflächenqualität eine wichtige Rolle. Je nach Anwendungsfeld bietet Groz-Beckert die passende Nadel für die bestmögliche Oberflächenqualität.

GEBECON® und EcoStar®

Höhere Stabilität und dicht vernadelte Oberfläche

Im Vergleich zu Standard-Filznadeln wird mit der neu entwickelten EcoStar®-Filznadel nicht nur eine dicht vernadelte Oberfläche erzielt, sondern auch ein definierter Fasertransport und eine höhere Lebensdauer.

GEBECON® und Twisted – Effizienz

Typisches Einsatzgebiet ist die Hut- oder Heckablage. Steht die Effizienz bei der Herstellung von glatten Produkten im Vordergrund, ist die Verwendung der Twisted-Filznadel sinnvoll. Bedingt durch das verdrehte Arbeitsteil sind die Kerben definierter im Einsatz.

Ist ein körniges oder samtartiges Oberflächenbild gewünscht, bieten sich hingegen Strukturierungsnadeln an.

Diese haben die Aufgabe, bereits verfestigte Vliesstoffe in Spezialmaschinen zu strukturieren. Die Oberflächen werden mit Velours- und Rippencharakter oder auch mit geometrischen oder linearen Mustern gestaltet. Innerhalb der Strukturierungsnadeln werden anhand ihrer Geometrie Gabel- und Kranznadeln unterschieden. Während Kranznadeln eine besonders gleichmäßige Struktur erzeugen, entsteht mit Gabelnadeln eine eher körnige Oberfläche. Für sehr dichte Veloursprodukte mit gleichmäßiger Oberflächengüte bietet sich eine Kombination aus Gabel- und Kranznadeln an.

Die Haupteinsatzgebiete für diese Produkte sind hierbei meistens Bodenauskleidungen, Fußmatten, Hutablagen, Tür- und Kofferraumauskleidungen sowie der Dachhimmel.

Um die geforderten Eigenschaften wie:

  1. beste Oberflächengüte
  2. hohe Oberflächengleichmäßigkeit
  3. optimales Tiefziehverhalten
  4. Dimensionsstabilität
erreichen zu können, werden höchste Anforderungen an die Prozesssicherheit und Effizienz im Vernadelungsprozess gestellt.

Gabelnadeln

Gabelnadeln besitzen einen einfach oder mehrfach reduzierten Schaft mit einem zylindrischen Arbeitsteil sowie eine verrundete Gabelgeometrie, die eine perfekte Einbindung und Schonung der Fasern in die Gabel während des Strukturierungsprozesses gewährleistet. Durch höchste Präzision beim Herstellungsprozess der Nadeln kommt es aufgrund der Geradheit der Nadel nicht zum Nadelbruch oder Verbiegen der Nadel. Die mögliche Ausführung der Gabelstellung in V oder D ermöglicht es, die Ausrichtung der entstehenden Schlingen in die gewünschte Richtung zu steuern.

1: Gabelstellung D – 2: Gabelstellung V

Gabelnadeln werden in speziellen Strukturierungsmaschinen, den sogenannten Bürstenbandmaschinen oder Lamellenmaschinen, eingesetzt. Bürstenbandmaschinen besitzen ein umlaufendes Förderband, das mit Bürstensegmenten bestückt ist. Aufgabe der Bürsten ist es, die Fasern während des Vernadelungsprozesses festzuhalten, sodass einheitliche Schlingen sowie eine verzugsarme Veloursware entstehen können.

Anwendungsbeispiel

Durch den Einsatz von Feingauge-Gabelnadeln können sehr hohe Einstichdichten erreicht werden. Die Kombination mit einem intakten Bürstenband gewährleistet hierbei ein muster- und streifenfreies Produkt.

Durch das Zusammenspiel dieser Punkte können folgende Vorteile erreicht werden:

  1. Hohe Gleichmäßigkeit während des Strukturierungsprozesses
  2. Ausgeprägte Schlingen (körnige Struktur)
  3. Sehr dichte Oberflächenbeschaffenheit dank hoher Fasertransportkapazität
  4. Optimale Produktqualität durch hohe Prozesssicherheit
  5. Höchste Oberflächenqualität durch feinste Arbeitsteilquerschnitte (kleinere Einstichtrichter)
  6. Verzugsfreie Ware

In der Mediathek unserer Homepage finden Sie ein Video eines vereinfachten Strukturierungsprozesses mit Gabelnadeln.

Kranznadeln

Kranznadeln sind den Filznadeln im Aufbau sehr ähnlich. Der einzige Unterschied besteht in der Kerbenanordnung. Die Kranznadel besitzt je eine Kerbe auf jeder Kante des Arbeitsteils. Es ist wichtig, dass die Kerben eine sehr hohe Maßhaltigkeit mit einem sehr geringen, exakt eingehaltenen Kerbenabstand besitzen. Diese Eigenschaften ermöglichen es der Nadel im späteren Prozess eine gleichbleibend hohe, einheitliche Qualität des Endproduktes zu erzeugen. Des Weiteren wird für den Strukturierungsprozess ein kurzer Abstand von der Spitze der Nadel zu den Kerben benötigt.

Kranznadeln werden nur in Bürstenbandmaschinen eingesetzt, da sie die Bürste zur Ausbildung der Schlingen benötigen. Dadurch ist es möglich eine besonders gleichmäßige, samtartige Oberflächenstruktur zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil ist die gleichzeitige Fasererfassung bei der Strukturierung, die durch die hohe Maßhaltigkeit der Kerben und den exakten Kerbenüberstand erreicht wird.

Zum Video des Strukturierungsprozesses mit Kranznadeln

Kombination Kranz- & Gabelnadeln

Um spezielle optische Effekte erzeugen zu können, ist es möglich die Vorteile aus beiden Strukturierungsverfahren zu kombinieren. So können Produkte erzeugt werden, die eine sehr dichte und stabile Oberflächenstruktur aufweisen.