Die Zukunft ist Composite

Die steigende Nachfrage nach immer besseren und leistungsfähigeren Produkten bei gleichzeitig knapper werdenden Ressourcen stellt die Werkstoffherstellende und -verarbeitende Industrie vor eine immer größer werdende Herausforderung. Der Einsatz der kostbaren Ressourcen Material und Energie muss immer effizienter werden. Eine Möglichkeit zum optimalen Werkstoffeinsatz bieten Verbundwerkstoffe, die die Vorteile mehrerer Materialien miteinander kombinieren. Für technische Bauteile und Komponenten werden neben Verbundwerkstoffen auf Basis von Metallen oder Keramiken insbesondere verstärkte Kunststoffe eingesetzt. Neben einer Vielzahl von funktionsoptimierten Matrixpolymeren können je nach Anwendungsfall auch die Verstärkungskomponenten hinsichtlich des Materials (z.B. Glas, Kohlenstoff, Naturfasern) sowie auch der Struktur (z.B. Fasern unterschiedlicher Länge und Orientierung oder Partikel) variiert werden. Diese Fülle an Kombinationsmöglichkeiten wird durch die ständige Entwicklung neuer Materialien noch erweitert. Sollen Bauteile mit hohen Steifigkeiten, großen mechanischen Festigkeiten und exzellenter Wärmeformbeständigkeit hergestellt werden, sind Fasern als Verstärkungselemente die erste Wahl.

Solche Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) können die spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten von Metallen übertreffen; in der Regel ist mit kohlenstofffaserverstärkten Polymeren gegenüber Aluminium eine Massereduktion von etwa 20% möglich. Durch gezielte Ausnutzung der Anisotropie der physikalischen Kennwerte können mit FKV zusätzliche nützliche Effekte realisiert werden (z.B. richtungsabhängige Steifigkeit, maßgeschneidertes Deformationsverhalten, Energieabsorption, etc.). Die richtige Auswahl aus der Vielfalt an Verarbeitungsprozessen stellt einen entscheidenden Faktor in der Umsetzung leistungsfähiger Bauteile zu marktfähigen Kosten dar. Es besteht ein großes Potenzial in der Automatisierung von bestehenden Prozessen sowie in der geschickten Kombination bestimmter Verfahren. So geht aktuell der Trend bei duroplastischen Strukturbauteilen weg von der Autoklav- und Prepregtechnologie hin zu Harzinjektionsverfahren wie z.B. dem Resin Transfer Moulding (RTM).

Hierbei werden trockene Faserstrukturen durch Applikation eines Vakuums mit einem flüssigen duroplastischen Harz infiltriert. Vorteile hierbei liegen einerseits in der guten Automatisierbarkeit des Verfahrens und andererseits in der Kombination von RTM mit der textiltechnischen Vorkonfektionierung der trockenen Faserstrukturen. Durch das Vernähen einzelner Gewebe- oder Gelegelagen können mehraxial belastbare textile Halbzeuge erzeugt werden, die im Bauteil dort, wo es erforderlich ist, zu einer lokal höheren Strukturfestigkeit führen. Im industriellen Maßstab umgesetzt wurde diese Technologie z.B. bei der Fertigung der Druckkalotte des Airbus A380. Hierbei werden bei der Herstellung des ca. 6 m im Durchmesser messenden Bauteils multiaxiale Gelegebahnen mittels Nähtechnik vorkonfektioniert und anschließend mit Harz infiltriert. Neben den strukturmechanischen Vorteilen zeichnet sich diese Technologie durch eine sichere und reproduzierbare Handhabung der Halbzeuge und verglichen mit der herkömmlichen Prepregtechnik auch durch verringerte Produktionskosten aus. Jedoch determiniert die chemische Aushärtereaktion der duroplastischen Matrix-Systeme die erreichbaren Zykluszeiten, weshalb die Entwicklung von schnellhärtenden Systemen und die darauf angepassten Prozesse aktuell stark forciert werden. Im Gegensatz dazu können bei der Herstellung von thermoplastischen FKV sehr kurze Prozesszeiten und somit eine hohe Ausbringmenge pro Zeit erreicht werden. Bisher wurden kurz- und langfaserverstärkte Bauteile mittels urformenden Herstellprozessen wie z.B. dem Spritzguss oder verschiedener Pressenverfahren hergestellt. Diese Prozesse weisen aber durch die nicht kontinuierliche Fasereinbringung Nachteile in den erreichbaren Materialkennwerten auf, weshalb Prozesskombinationen aus Pressverfahren und kontinuierlichen Faserstrukturen (z.B. „D-LFT“ oder „E-LFT“) oder auch die Kombination aus Spritzguss mit kontinuierlich faserverstärkten Halbzeugen (sogenannten Organoblechen) z.B. im „SpriForm“- Verfahren entwickelt wurden. Aber nicht nur das Automatisierungspotenzial der Herstellprozesse stellt ein großes Optimierungspotential dar, auch die Weiterentwicklungder Matrixpolymere sowie deren gezielte Funktionalisierung mittels Füllstoffen und Nanomaterialien können zur Erweiterung des Eigenschaftsprofils eines FKV dienen. Um weitere Anwendungsfelder zu erschließen, wird aktuell der Einsatz von Carbon Nanotubes (CNT) in unterschiedlichen Matrix-Kunststoffen untersucht (Innovationsallianz Carbon Nanotubes Inno.CNT). Durch die Einbringung solcher CNT in den Kunststoff wird eine gezielte Steigerung der elektrischen oder thermischen Leitfähigkeit neben der Verbesserung der mechanischen Kennwerte angestrebt, wie sie z.B. im Bereich der Windkraftanlagen oder der Luftfahrt für die Ableitung von Blitzeinschlägen oder auch für die kathodische Tauchlackierung (KTL) von Bauteilen im Automobilbereich vorteilhaft sein können. Darüber hinaus kann mittels  unterschiedlicher Partikel die Verarbeitbarkeit der Matrix-Polymere angepasst werden. Bisher war die hohe  Schmelzviskosität der Thermoplaste bei der Infiltration von Faserstrukturen ein zeitlich determinierender Faktor bei der Herstellung thermoplastischer Fasercompounds. Um dies zu umgehen, wurden reaktive Polymere wie z.B. cyclische Oligomere (CBT) entwickelt, die bei der Verarbeitung eine um 105 geringe Viskosität als Standardthermoplaste aufweisen. Im Laufe des Herstellprozesses öffnen sich die Ringstrukturen und es bilden sich lange Polymerketten zu  Polybutylenterephthalat (PBT) aus. Dieser FKV weist alle Vorteile von thermoplastischen FKV wie z.B. Thermoformbarkeit oder Schweißbarkeit auf. Mit speziellen werkstofflichen Systemen entstehen durch den Wegfall der Prozessschritte zur Herstellung des thermoplastischen Halbzeugs durch den o.a. „insitu“-Prozess interessante Kostenvorteile.

Einen besonderen Trend im Bereich der FKV stellen Verbundmaterialien mit aktiven Matrix- oder Verstärkungselementen, sogenannte Smart Structures dar. Große Fortschritte wurden bei der Realisierung sensorischer oder aktuatorischer Funktionen in FKV durch die gezielte Integration z.B. von piezokeramischen oder Elementen aus Formgedächtnislegierungen erzielt. Solche multifunktionalen Verbundmaterialien eröffnen völlig neue Möglichkeiten bei der Gestaltung hochintegrierter Produkte. Durch die aktive Kontrolle von mechanischen Schwingungen können z.B. leichtere und komfortablere Produkte mit geringerem Aufwand realisiert werden.

Um die Wirtschaftlichkeit von Bauteilen aus FKV weiter zu verbessern ist die Optimierung der gesamten Wertschöpfungskette erforderlich. Hierzu gehört insbesondere der Werkzeugbau wo durch neue innovative Werkzeugkonzepte wie der RocTool-Technologie – einer auf Induktion beruhenden Methode der Werkzeugtemperierung –  nicht nur deutlich verkürzte Zykluszeiten erreichbar sind, sondern auch neue Prozessvarianten durch eine variable Beeinflussung der Matrixviskosität ermöglicht werden. Faser-Kunststoff-Verbunde bieten für viele zukünftige Anwendungen ein großes Potential. Insbesondere für den wirtschaftlichen Einsatz in Großserien müssen jedoch noch einige Herausforderungen bewältigt werden. Hierzu zählen besonders die geschlossene Simulation von Werkstoff und Prozess, die Optimierung von Fügeverfahren, Qualitätssicherungsmaßnahmen und robuste Fertigungsverfahren für die Produktion sowie anwendungsangepasste Reparaturkonzepte.

Institut für Verbundwerkstoffe GmbH

Leiter Zentrale Dienste / Technologietransfer
Dr.-Ing. Robert Lahr

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