ITHEC

Was neue CF-Strukturen anders macht

Carbonfaserverstärkte Strukturen mit thermoplastischer Matrix
Der erste Kipper mit einer Mulde aus carbonfaserverstärktem Kunststoff mit duroplastischer Matrix. Zurzeit arbeitet das niederländische Projektteam am Nachfolgemodell aus thermoplastischem CFK. (Quelle: Tencate)
Leichtbaustrukturen aus Duroplasten mit eingebetteten Kohlenstofffasern haben sich bewährt. Dennoch suchen die Hersteller von Flugzeugen, Automobilen und Rotorblättern für Windenergieanlagen (WEA) nach Alternativen, die sich schneller, höher automatisiert und kostengünstiger herstellen lassen. Faserstrukturen mit thermoplastischer Matrix sollen diese Anforderungen technologisch und ökonomisch erfüllen. Am Übergang von der Forschung in die Fertigung sehen die Messe Bremen und das Faserinstitut Bremen die aktuelle Situation – und die Kongressmesse ITHEC, die am 29. und 30. Oktober 2012 alle Facetten der neuen Technologie beleuchten will.

Wo immer Strukturteile mit hoher Festigkeit Stahl oder Aluminium ersetzen sollen, ist bislang Geduld gefragt. Denn bei der Herstellung von Faserstrukturen in Form von Geweben, Gelegen oder Gewirken sowie dem Umschließen der Fasern mit flüssigen Harzen erschweren der geringe Automatisierungsgrad und lange Aushärtezeiten die Verkürzung der Zykluszeiten. Statt mehrerer Stunden verlangt vor allem der auf Großserienfertigung ausgerichtete Automobilbau pro Bauteil Zykluszeiten von einer bis maximal zwei Minuten. Da kommen Technologien, bei denen die Fasern in eine thermoplastische Matrix eingebettet werden, wie gerufen. Denn mit Thermoplasten kann der Zeitbedarf für die Herstellung eines hochfesten Strukturteiles auf das geforderte Niveau sinken, denn anders als Duroplaste werden Thermoplaste durch Erhitzung formbar und erstarren nach einer kurzen Abkühlphase, Auch in mehrstufigen Prozessen sind komplexe Bauteilgeometrien erzielbar.

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Allerdings soll nicht der Eindruck entstehen, es gehe momentan um die Substitution der duroplastischen durch thermoplastische Matrixsysteme. Schließlich waren diese bislang wegen der hohen Kosten und langen Zykluszeiten eher in Formel-1-Rennwagen zu finden, als in Serien-Pkw. Doch genau das soll und muss sich ändern, wenn die Automobilindustrie durch konsequenten Leichtbau Treibstoffe einsparen und E-Mobilen akzeptable Reichweiten verleihen will. Also treten die faserverstärkten Thermoplaste nicht gegen die duroplastischen Matrixsysteme an, sondern viel mehr gegen Stahl, Aluminium und Magnesium in Form von Blechen, Rohrkonstruktionen aber auch Guss- und Sinterteilen. Und genau dabei greift die Entstehung vielfältiger Produktionstechnologien, wie die Verarbeitung von Halbzeugen in Form von Organoblechen oder -folien, die endlos von Coils, als Platten oder als maßgeschneiderte Prepregs auf Spritzgießmaschinen umgeformt und hinterspritzt werden. Bei solchen Prozessen können hochfeste Strukturteile komplexe Strukturen erhalten und im Sinne der Funktionsintegration zusätzliche Aufgaben wahrnehmen. So kann ein tragendes Strukturteil zum Beispiel zugleich Bestandteil eines Scheibenwasch-Flüssigkeitsbehälters werden, um nur ein Beispiel zu nennen.

Dazu Dr. Hubert Borgmann, Projektleiter bei der Messe Bremen, der zusammen mit Professor Dr. Axel S. Herrmann vom Faserinstitut Bremen die ITHEC 2012 realisiert: „Dass die Produktions- und Weiterverarbeitungstechnologien zurzeit einen beispiellosen Boom durchlaufen, liegt daran, dass thermoplastische Teile in nahezu jeder Prozessstufe problemlos mit weiteren Teilen verschweißt, verklebt oder auf Spritzgießmaschinen stoffschlüssig erweitert werden können.“ In ersten Ansätzen sei schon zu erkennen, dass künftig die Konsolidierung des Matrixwerkstoffs mit den Fasern teilweise in den Weiterverarbeitungsprozess verlagert werden kann. Die Matrixpolymere werden dabei zunächst „lose“ in vorgefertigte Prepregs eingebettet und erst unmittelbar vor dem Tiefziehen aufgeheizt und dadurch verflüssigt. Ein energieintensiver Prozessschritt kann also entfallen.

Die wachsende Werkstoff- und Prozessvielfalt macht es Produktentwicklern und Produktionsexperten gleichermaßen schwer, vor lauter Bäumen den Wald nicht aus den Augen zu verlieren. Schließlich kann das Ziel, durch Leichtbau Gewicht zu sparen, nur erreicht werden, wenn die neuen Strukturen alle Anforderungen hinsichtlich Komfort und Sicherheit erfüllen und zugleich durch Funktionsintegration die Zahl der Fahrzeugteile reduziert werden kann. Dass viele der Vorteile auch in anderen Branchen Früchte tragen können, zeigt nicht zuletzt das Interesse der Luftfahrtbranche sowie des Windenergieanlagenbaus. Rotoren mit immer größeren Durchmessern bei zugleich zunehmenden Produktionszahlen lassen die WEA-Produzenten nach Alternativen zu duroplastischen Matrixsystemen Ausschau halten. Auch die dabei bereits erzielten Erfolge, aus denen der allgemeine Maschinenbau lernen kann, sind Gegenstand der ihrem Konzept nach einmaligen Kongressmesse ITHEC, bei der Wissenschaft und Wirtschaft eng zusammenrücken, um die schnelle Nutzung der neuen Technologie voranzubringen.

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