11.03.2014

Technische Universität Wien

Leichte Werkstoffe, schwere Aufgaben

Warum sollte man Metall verwenden, wenn man auch Faser-Kunststoff-Verbunde einsetzen kann? Faserverbundwerkstoffe sind leicht und belastbar, mit ihnen lassen sich sparsamere Autos oder leistungsfähigere Industriemaschinen bauen. Allerdings sind sie mit herkömmlichen Methoden schwierig zu bearbeiten. Das saubere Zuschneiden, das Bohren von Schraubenlöchern, der letzte Schliff ist bei Faserverbundwerkstoffen heikel und aufwändig. An der TU Wien versucht man dieses Problem zu lösen: Durch neue Bearbeitungsmethoden soll die Fertigung von Produkten aus Faserverbundwerkstoffen ähnlich billig und einfach werden wie die Fertigung von Metallteilen.

Der Trick liegt im Kohlenstoff

Das Forschungsteam von Richard Zemann (Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik, TU Wien) verwendet Kohlenstofffasern, die nur einige Mikrometer dick sind. Damit sie ihre Form behalten, bettet man sie in Harz ein. So entsteht eine leichte, aber extrem steife Struktur. „Durch die festen Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen erzielt man in Faserrichtung extrem gute mechanische Eigenschaften“, erklärt Richard Zemann. Die Werkstücke wiegen nur ein Viertel dessen, was ein Stahlwerkstück desselben Volumens auf die Waage bringt, und trotzdem können die Kohlenstoff-Werkstoffe Stahl in ihrer Steifigkeit sogar übertreffen.

Besonders interessant sind diese Werkstoffe etwa für die Auto- oder die Flugzeugindustrie: Jedes eingesparte Kilogramm bedeutet eine Reduktion des Treibstoffverbrauchs und des CO2-Ausstoßes. „In der Industrie blickt man schon seit Jahren mit großem Interesse auf Faserwerkstoffe“, sagt Richard Zemann – trotzdem haben sich die Fasern in der Fertigung von Massenprodukten noch nicht durchgesetzt, und dafür gibt es einen entscheidenden Grund: Die feine Endbearbeitung der Werkstoffe ist sehr schwierig.

Platten formen ist einfach, Löcher bohren ist schwer

In der Metallindustrie gibt es gut erprobte, weitverbreitete Verfahren der Endfertigung: Zerspanen, Bohren oder Fräsen ist bei Metallteilen kein Problem. Versucht man allerdings, mit denselben Methoden Faserverbundplatten zu bearbeiten, schädigt man das Material. Es entstehen unbrauchbare Bohrlöcher und Schnittlinien, die dann aufwändig per Hand nachbearbeitet werden müssen – und das ist für Massenproduktion natürlich viel zu teuer.

„Man denkt zwar auf der ganzen Welt darüber nach, wie man aus Karbonfasern am besten Werkstücke formt – doch mit der Endbearbeitung beschäftigen sich nur wenige Forschungsgruppen“, sagt Zemann. Er gründete daher die Initiative Fibrecut – ein Projekt, das neue Methoden für die automatisierte Endbearbeitung von Faserverbundwerkstoffen hervorbringt. Ein theoretisches Modell wird entwickelt, das die physikalischen Vorgänge beim Zerspanen beschreibt.

Damit lässt sich dann abschätzen, wie man in einer bestimmten Situation das beste Ergebnis erzielt werden kann. Wenn man Parameter wie die Drehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit eines Bohrers richtig anpasst, kann man plötzlich bessere Ergebnisse erhalten. Getestet werden auch Assistenzsysteme wie ein Schwingtisch, der das Werkstück während eines Schneide- oder Bohrprozesses in Bewegung versetzt. An weiteren Verbesserungen wird gearbeitet: Ganz neue Bearbeitungswerkzeuge mit Beschichtungen werden entwickelt, die speziell auf Faserverbundwerkstoffe ausgelegt sind.

Die Ergebnisse sind eindeutig: Mit den richtigen Zerspanungsmethoden lassen sich die Faserverbundwerkstoffe tatsächlich bearbeiten. „Es ist nicht unmöglich, man braucht einfach viel Know-How, das es in der Industrie heute einfach noch nicht in ausreichendem Maß gibt“, erklärt Richard Zemann. Daher ist in der Industrie auch der Bedarf nach akademischen Kooperationspartnern sehr hoch.

Vom Auto bis zur Fertigungsanlage

Freilich werden die Faserverbundwerkstoffe in nächster Zeit sicher noch teurer sein als herkömmliche Ware. „Man wird nicht unbedingt Stoßstangen oder Kotflügel aus Kohlenstofffasern bauen, weil diese Teile oft ersetzt werden müssen“, meint Richard Zemann. Doch viele andere Teile des Autos, die etwas geschützter im Inneren des Fahrzeuges liegen, werden wohl bald aus Faserwerkstoffen hergestellt werden. Für die Flugzeug- und Raumfahrtindustrie ist das Material besonders attraktiv, dort spielt die Einsparung von Gewicht eine noch größere Rolle. Doch nicht nur für Fahrzeuge sind Faserverbundwerkstoffe sinnvoll: Von der Papierwalze, die aufgrund des leichtere Materials größer dimensioniert werden kann, bis zum Hydraulikzylinder aus Karbonfasern gibt es unzählige Anwendungsmöglichkeiten.

„Dass sich Faserwerkstoffe durchsetzen werden, steht für mich heute außer Frage“, ist Richard Zemann überzeugt. „Einen Technologievorsprung werden jene Unternehmen haben, die als erste die richtigen Bearbeitungsmethoden einsetzen – und dafür brauchen sie Forschungskompetenz.“

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