Leichtbauteile schneller und energieeffizienter fertigen

Werkstoffe 10. 04. 2016
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– Kunststoff mit Infrarotstrahlung im Werkzeug schmelzen

Beim Konsolidieren von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) verbinden sich Einzelschichten aus Fasern und Kunststoff unter Druck und hoher Temperatur zu einer homogenen Platte. Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das schnell und energieeffizient ist und sich auch für kleinere Stückzahlen sowie Hochtemperaturkunststoffe eignet: Sie bestrahlen CFK unter Vakuum direkt mit Infrarotstrahlung. Kohlenstofffasern und erhitzter Kunststoff verbinden sich unter Druck zu einer homogenen CFK-Platte. Mit Infrarotstrahlung unter Vakuum geht das schnell und energieeffizient.

In heutigen Anlagen zur CFK-Fertigung kommen oftmals große, kostenintensive Anlagen zum Einsatz. Sie pressen den aufgeschmolzenen Kunststoff zwischen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff oder Glas. Der Kunststoff wird dabei nur indirekt – über die massiven Presswerkzeuge – erhitzt. Die Werkzeuge müssen bewegt, bei variothermer Prozessführung zyklisch aufgeheizt und wieder abgekühlt werden. Dabei wird prozessabhängig viel Energie und Zeit benötigt. Durch die zum Teil hohen Investitionskosten für Pressen und andere Großanlagen sind kleinere und mittlere Fertigungszahlen häufig nicht rentabel. Doch hierfür gibt es eine Alternative: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT, Pfinztal erhitzen CFK direkt unter Vakuum mit Infrarotstrahlung. Die Energie wirkt dort, wo sie gebraucht wird. Sofort. Für die Werkzeugwand fanden die Forscher ein Material, das die Infra­rotstrahlung im gewünschten Wellenlängenbereich durchlässt und gleichzeitig fast keine eigene Wärmedehnung aufweist. Üblicherweise dauern vakuumbasierte ­variotherme Fertigungsprozesse je nach ­Dicke des Bauteils zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden. Mit dem Ansatz des ICT ist das unter 60 Sekunden möglich.

Das Verfahren ist nach Aussage von Sebastian Baumgärtner, Maschinenbauingenieur­ am baden-württembergischen Institut, schneller, wirtschaftlicher und energieeffizienter als der aktuelle Stand der Technik.­ Die Verarbeitung im Vakuum schont das Material. Der Kunststoff oxidiert nicht wie in offenen Verfahren. Eingeschlossene Luft und mögliche Abgase werden abgesaugt. Der Prozess läuft sehr stabil und ist einfach zu nutzen. Um CFK zu erhitzen eignen sich laut Baumgärtner bei dem neuen Ansatz alle elektromagnetischen Strahlen, also auch Mikrowellenstrahlen. Die Industrie spare Energie, Kosten, Verbrauchsmaterialien und könne schneller fertigen. Das Verfahren ist sowohl für Groß- als auch für Kleinserien geeignet. Es profitieren nach den Worten von Baumgärtner insbesondere kleinere und mittelgroße Unternehmen, die sich keine teure Anlagentechnik leisten wollen.

Effiziente Anlagentechnik

Auf einer Testanlage fertigen die Forscher mit dem Verfahren 40 x 40 Zentimeter ­große CFK-Platten. Ähnlich große Teile befinden sich bereits in Sportartikeln oder ­Automobilteilen. Die Anlage des ICT passt in einen normalen Fertigungsbereich. Im Gegensatz zu großen Pressen fallen Ober- und Unterbau sowie ein spezielles Fundament weg.

Die Anlage fertigt verzugsfreie Platten. Das ist nach Aussage von Baumgärtner eine große Herausforderung beim Fertigen von CFK. Die Forscher des ICT heizen und kühlen symmetrisch, nutzen eine wärmedehnungsfreie Werkzeugwand und arbeiten mit relativ geringem Prozessdruck, um den ungewollten Quetschfluss zu vermeiden. Durch die glatte Oberfläche der Werkzeugwand entsteht zudem eine nahezu spiegelnde CFK-Plattenoberfläche. Das ist im finalen Bauteil, insbesondere für Anwendungen im Sichtbereich, sehr vorteilhaft.

Der Kunststoff erwärmt sich sofort nach Anschalten der Infrarotstrahler. Wieviel Energie genau eingespart wird, können die Wissenschaftler noch nicht sagen. Noch fehlen die exakten Vergleichszahlen. Der Effekt wird aber deutlich sein, da keine ­großen thermischen Massen aufgeheizt und wieder abgekühlt werden müssen, wie das beim Pressverfahren der Fall ist.

In Autos, Flugzeugen und Sportartikeln

Carbonfasern sind dünner als ein mensch­liches Haar. Als Kunststoffe für CFK dienen in neuen Entwicklungen häufig Thermoplaste. Sie sind mehrfach aufschmelzbar und können vollständig wiederverwertet werden. Fasern und Kunststoff werden Schicht für Schicht übereinander gestapelt bis die gewünschte Bauteildicke erreicht ist. Hitze und Druck bringen Fasern und geschmolzenen Kunststoff zusammen. Besondere Herausforderung ist es, die Platten ohne Fehlstellen und Lufteinschlüsse zu fertigen, ohne dass die Fasern verschoben werden. Unidirektionales CFK ist in Faserrichtung steif und senkrecht dazu flexibel. So lassen sich über eine spezifische Anordnung der Lagen Bauteile mit individuell einstellbaren Eigenschaften fertigen. CFK ist nicht mehr nur für Raumfahrt oder Formel 1 interessant. Heute wird es in Autos, Flugzeugen und Sportartikeln eingesetzt.

Kontakt

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Dr. Stefan Tröster
Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7, D-76327 Pfinztal

Kohlenstofffasern und erhitzter Kunststoff verbinden sich unter Druck zu einer homogenen CFK-Platte, was mit Infrarotstrahlung unter Vakuum schnell und energieeffizient erfolgt© Foto Fraunhofer ICT

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