Leichtbau ist bei modernen Maschinen ein wesentlicher Aspekt für innovative Weiterentwicklungen. Maschinenkomponenten aus CFK erhöhen die Präzision und Lebensdauer der Systeme. Laut der Studie Leichtbau im Maschinen-, Anlagen- und Gerätebau [1] ist im Maschinenbau die Steigerung der Produktionseffizienz und Bearbeitungsqualität von hoher Bedeutung; für die Automotivebranche steht die Senkung des Energieverbrauchs durch leichtere Fahrzeuge im Vordergrund.
Oft können moderne Anforderungen an Bauteilstrukturen durch klassische metallische Werkstoffe nicht mehr befriedigend realisiert werden, da sie die stetig wachsenden Anforderungen durch den starken Trend zum Leichtbau nicht erfüllen können. Der Einsatz von faserverstärkten Materialien (CFK = carbonfaserverstärkter Kunststoff) als Konstruktionswerkstoff verknüpft eine geringe Masse mit einer hohen Festigkeit und Steifigkeit und stellt für viele Applikationen einen idealen Werkstoff dar.
Für viele Einsatzumgebungen reichen die Oberflächeneigenschaften jedoch nicht aus, da Aspekte wie Reinigbarkeit, Medienbeständigkeit und tribologische Eigenschaften nicht ausreichend erfüllt werden. Zudem verursachen freiliegende Kohlefasern bei einer Verbundbauweise Kontaktkorrosion gegenüber vielen Metallen [2]. Galvanische Beschichtungen können hier eine Lösung bieten.
Die bewährte Kunststoffvorbehandlung von ABS auf CFK zu übertragen, ist jedoch nicht einfach. CFK kann zwar an sich ausreichend leitfähig eingestellt werden, die Schlüsselstelle für eine ausreichende Schichthaftung ist jedoch die Erzeugung einer nach Beizangriff adäquaten Oberflächenstruktur, da selektiv angreifbare Bestandteile wie das Butadien der ABS-basierten Kunststoffe in den Harzen der CFK-Bauteile nicht vorhanden sind. Zwar lassen sich einige Harze der vielfältigen CFK-Varianten in der Kunststoffbeize auch aufrauen; eine reproduzierbare Haftungsbildung ist jedoch oft nicht gegeben.
Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderte Verbundvorhaben CarboChrom hatte zum Ziel, eine industriell reproduzierbar einsetzbare Prozesskette zur funktionalen galvanischen Beschichtung von CFK zu entwickeln. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zwei unterschiedliche Prozessrouten erarbeitet werden konnten.
Diese Routen unterscheiden sich sowohl in den einsetzbaren Harzen als auch den anzuwendenden galvanischen Prozessen. Welche Route eingeschlagen werden kann, hängt in ausschlaggebendem Maße von der erreichbaren Oberflächengüte der Bauteile ab. Die direkte Wechselwirkung des Bauteilherstellungsprozesses mit der galvanischen Beschichtung ist von entscheidender Bedeutung für die Gesamtqualität. Bei einer entsprechend strukturierten, aber immer noch geschlossenen Harzoberfläche, zum Beispiel ohne Lunker oder Faserüberstände, sind nach dem erarbeiteten Prozessstand gute Beschichtungsergebnisse zu erwarten.
Von großer Bedeutung für die galvanische Beschichtung ist eine an die spezifische Bauteilgeometrie angepasste Vorrichtungstechnik. Die Sicherstellung von ausreichenden Kontaktstellen als auch die Abdichtung nicht funktionaler Oberflächenbereiche ist zu gewährleisten. Für das spezifische Demonstratorbauteil konnten diese Anforderungen bereits im Labormaßstab erfüllt werden.
Der bislang stark auf die Bauteilstruktur ausgerichtete Prozessfokus konnte auf die Beschichtungs- und damit auch Funktionsanforderungen erweitert werden, was der galvanischen Beschichtung gute Chancen bietet, den Bereich tribologisch beanspruchter Leichtbauteile zu erschließen und zukünftig neue Technologien bedienen zu können.
Literatur
[1] Anna Hansmersmann, Christoph Birenbaum, Jochen Burkhardt, Marco Schneider, Michael Stroka: Leichtbau im Maschinen-, Anlagen und Gerätebau; Stuttgart, 2016
[2] Harald Schreckenberger: Risiko der Kontaktkorrosion bei CFK-Bauteilen; WOMag 4/2013; www.wotech-technical-media.de/womag/ausgabe/2013/04/6_w_schreckenberger_korr_04j2013/6_w_schreckenberger_korr_04j2013.php
Text zum Titelbild: Vorrichtungsprinzip zur Beschichtung von CFK-Rohren am Beispiel eines Demonstratorbauteils d 50 x 50
