Faserverbundwerkstoffe und deren Verarbeitung

Faserverstärkte Kunststoffe haben sich in den letzten Jahren, insbesondere bei einer Vielzahl moderner Strukturanwendungen, zu einer wichtigen Materialklasse entwickelt. Aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials in Kombination mit erstklassiger mechanischer Performance werden sie in der Luftfahrt gleichermaßen eingesetzt wie im Automobilbau, der Energietechnik oder im Sport. Die treibende Kraft für die Substitution klassischer Werkstoffe ist die Gewichtsersparnis. Je nach gewünschter Anwendung kommen Kurz-, Lang- oder Endlosfasern in thermoplastischen oder duroplastischen Matrizes zum Einsatz.

Gebräuchlich sind Kohlestoff- Glas- oder Aramidfasern. Es kommen jedoch vermehrt Polymer- bzw. Naturfasern zum Einsatz. Die Verstärkungsfasern müssen zur Ausschöpfung des vollen Potentials möglichst lang und belastungsgerecht orientiert sein. Dies führt in der Regel jedoch zu längeren Zykluszeiten und damit höheren Kosten.

Die kosteneffiziente Herstellung von Hochleistungsbauteilen in Faserverbund-Bauweise stellt allerdings noch große Herausforderungen an die Forschung und Entwicklung, insbesondere hinsichtlich der Massenproduktion. Der Schlüssel liegt daher in kürzeren Zykluszeiten in Kombination mit möglichst langen Fasern.

Zwischen Produktivität und mechanischer Performance bestehen nach wie vor antagonistische Tendenzen: Sehr gute mechanische Eigenschaften korrelieren mit hohen Faservolumengehalten, orientierten und langen Strukturen, wohingegen die Fertigungskosten gleichzeitig steigen. Im Wesentlichen werden die Materialien und der Prozess durch die spätere Anwendung bestimmt.

Verarbeitung von faserverstärkten Duroplasten

Sheet Moulding Compounding (SMC) und Bulk Moulding Compounding (BMC) bestehen aus Kurz- und Langfasern und sind im Hinblick auf Preis Leistungsverhältnis Stand der Technik. Als Matrix findet häufig ein ungesättigtes Polyesterharz (UP) Anwendung. Ist bei dem Bauteil eine hohe Schlagzähigkeit gefordert, werden auch Vinylesterharze (VE) verwendet. Beim Verpressen von SMC entstehen Formteile mit deutlich besseren mechanischen Eigenschaften als bei Pressen oder Spritzen von BMC-Formmassen.

Reaction Injection Moulding (RIM) oder Reinforced Reaction Injection Moulding (RRIM) sind ein weitere Urformverfahren zur Herstellung von duroplastische Faserverbundwerkstoffen (FVW). Dabei werden zwei Komponenten in einem Mischer intensiv gemischt und unmittelbar anschließend als Reaktionsmasse in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Die Zykluszeiten dieses Verfahren liegen zwischen einer und fünf Minuten. RIM findet bevorzugt bei der Herstellung von Formteilen aus Polyurethan, wie z. B. für die Automobilindustrie, Verwendung.

Ein äußerst einfaches, flexibles und bewährtes Verfahren zur Herstellung von endlosen FVW ist das Handlaminieren. Damit lassen sich beliebig viele trockene Faserlagen auf eine im einfachsten Fall einteilige Positiv- oder Negativform nacheinander aufbringen und mittels Pinsel oder Roller mit Harz imprägnieren. Hauptvorteile sind die niedrigen Kosten für den Formenbau und das Entfallen kostspieliger Investitionen wie Heißpresse, Autoklav, Vakuumpumpen etc.. Zur Sicherung gleichbleibend guter Bauteile ist eine sorgfältige Qualitätsprüfung unabdingbar.

Im Gegensatz zum Handlaminieren werden beim Prepregverfahren mit Harz vorimprägnierte Faserhalbzeuge schichtweise aufeinander laminiert. Die Aushärtung erfolgt meist im Autoklaven. Mit dieser Fertigungstechnik lassen sich sehr gute mechanische Werte bei FVK Bauteilen erreichen. Trotz großer Anstrengungen den Prozess zu automatisieren und damit Kosten zu senken, bleibt das Prepregverfahren der Luft- und Raumfahrt vorbehalten.

Die Grundidee des Fasernasswickelverfahrens ist das Ablegen von kontinuierlichen, textilen Verstärkungshalbzeugen in einem vordefinierten Muster auf einem positiven, rotierenden Formkern. Ein solches Verfahren ermöglicht hohe Faservolumengehalte und geringe Fertigungskosten. Allerdings lassen sich nur relativ einfache Geometrien ohne negative Krümmungen herstellen.

Charakteristisch für die Liquid-Composite-Molding-Verfahren (LCM-Verfahren) ist die Imprägnierung einer trockenen Preform mit einer flüssigen Matrix im Werkzeug und anschließender Aushärtung. Dies geschieht entweder in einer geschlossenen steifen Form oder in einer nur einseitig steifen, „offenen“ Form. Diese Techniken ermöglichen es, hohe Bauteilqualitäten und Faservolumengehalte wirtschaftlich herzustellen. Verfahren dieser Klasse sind das Resin-Transfer-Molding (RTM), die Single-Line-Injection (SLI), der Vacuum-Infusion-Process (VIP) und der Seeman-Composite-Resin-Infusion-Molding-Process (SCRIMP). LCM-Verfahren findet bevorzugt bei der Herstellung von Bauteilen für Windkraftanlagen (z.B. Rotorblätter) und für die Automobilindustrie Verwendung. Potential steckt hier sicherlich noch in der Prefomtechnik, in der in den letzten Jahren einige Direktverfahren, wie beispielsweise das Tailored Fibre Placement (TFP) oder Fibre Patch Placement (FPP) entwickelt wurden.

Zur Reduzierung des Energiebedarfes und zur Verkürzung der Härtungszeiten beschäftigen sich moderne Ansätze mit schnellen Härtungzyklen (Quickstep-Verfahren) mittels temperierter Fluide bzw. Induktionsheizen (Roctool-Verfahren) oder einem alternativen Energieeintrag über Elektronenstrahlen oder Mikrowellen.

Verarbeitung von faserverstärkten Thermoplasten

Direkt verwendbare kurz- bzw. langfaserverstärkter Thermoplaste in großer Stückzahl lassen sich mit Spritzgussverfahren herstellen. Diese Materialien sind in Massen verfügbar und können in-house recycelt werden. Diese bewährte und kostengünstige Produktion kommt in der Automobilindustrie zum Einsatz.

Parallel zu den Spritzgießverfahren werden häufig Pressverfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffe eingesetzt. Im Vergleich zum Spritzguss werden die Fasern weniger degradiert, jedoch sind keine komplexen Geometrien möglich. Ein bekannter Vertreter dieser Klasse sind die glasmattenverstärkten Thermoplaste (GMT). Bei der Herstellung werden Glasfasergewebe oder Glasvliese in Verbindung mit Thermoplasten (meist PP) zu Halbzeugen verarbeitet. Diese Halbzeuge können nach dem Erwärmen durch Pressen weiterverarbeitet werden. GMT Matten gibt es mit unterschiedlichen Faserlängen. Die Annahme, dass ein GMT-Bauteil mit Endlosfasern, im Vergleich zu Kurzfasern, eine höhere Festigkeit aufweist, stimmt jedoch meistens nicht. Ein Grund dafür ist, dass die Endlosfasern durch das Pressen gestaucht und geknickt werden.

Ein innovativer Ansatz besteht darin, durch ein Direktverfahren die hohen Material- bzw. Herstellungskosten zu drücken. Mit dem Direkt-SMC-Verfahren, welches verspricht in diesem Jahr in Serie zu gehen, soll eine kostengünstigere und zudem noch schnellere Produktion realisiert werden. Das LFI-Verfahren (Long Fibre Injection) und das D-LFT-Verfahren sind bereits in der Serie verwendete Prozesse. Ersteres erlaubt das Einstellen von lokal verschieden Faservolumengehalten und Faserlängen. Haupteinsatzgebiete sind in beiden fällen die Automobilindustrie.

Die Wunschkombination von Endlosfaserverstärkung in Kombination mit hoch produktiven Prozessen wird durch das E-LFT-Verfahren abgebildet. Dieser vielversprechende Prozess platziert lokal endlosfaserverstärkte Inlays in einem langfaserverstärkten Bauteil. Dieses mechanische Eigenschaftspotential in Kombination mit der hohen Serientauglichkeit führte mir der Smart-Heckklappe zu einer schnellen industriellen Umsetzung.

Neuere Ansätze bei endlosen kohlenstofffaserverstärkten Bauteilen wie das automatisierte Tapelegen (ATL - Automated Tape Laying) sind im Hinblick auf die Automatisierung sehr reizvoll (z.B. Fiberforge-Verfahren). Als Matrix kommt Nylon, PEEK oder PPS zum Einsatz.



Innovationen auf dem Gebiet:


1) Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt

Innovative Anwendungen:

Luftkästen von Ladeluftkühlern
Ultramid® A3W2 G10 von BASF SE: Das hochgefüllte Material (50% Glasfasern) wurde speziell auf die Bedürfnisse von Hochleistungsmotoren hin entwickelt, für Dauertemperaturen von 190 Grad und Überdruckwechsel zwischen 0,1 und 1,5 bar.

Resin transfer moulding (RTM): Wasserstoff-Hochdrucktank
Von Profile Composites Inc (Canada): Herstellung von Wasserstoff-Hochdrucktank mittels Resin Transfer Moulding (RTM) statt Wickelverfahren.

Vacuum Assisted Process (VAP: Oberes Frachttor A400M
Von Premium Aerotec GmbH: Fertigung von Großbauteilen aus CFK für den Flugzeugbau im VAP-Verfahren. Das VAP-Verfahren ist nicht nur kostengünstiger und leichter, sondern auch rund 20% schneller als herkömmliche Fertigungsverfahren.

Extrusion von Kreis und Schraubenbögen mit beliebigen Radien und Steigungen
Radius-Pultrusion™ von Thomas GmbH: Die Technologie erlaubt erstmals die kontinuierliche Herstellung von gebogenen Endlosfaser- und gewebeverstärkten Profilen. Dabei handelt es sich um ein auf einer Modifikation des bekannten Pultrusionsverfahrens basierendes Verfahren, welches die Endlosherstellung von Kreis- und Schraubenbögen praktisch beliebiger Radien und Steigungen - also auch von Federn - ermöglicht.

Endlosfaserverstärkte Langfaserthermoplast (CLFT)
Von Dieffenbacher GmbH & Co. KG: Dieses Verfahren ist eine Variante, die sich aus dem Langfaser-Thermoplast-Direktverfahren entwickelt hat und durch eine spezielle Anlagentechnik zur Aufbereitung von Endlosfasern ergänzt wurde. Kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Profilen als lokale Verstärkung in der Heckklappe des Kleinwagens Smart fortwo wurden eingesetzt.



2) Medizintechnik, Feinmechanik, Optik

CFK-Halswirbelplatte
Biomaterial Endolign™ von Invibio Ltd.: Der Verbundwerkstoff ist ein mit endlosen Kohlenstofffasern verstärktes PEEK OPTIMA® Polymer. Die Biokompatibilität, die hohe Festigkeit, die Röntgentransparenz und die wiederholte Sterilisierbarkeit sind Eigenschaften, welche die Endolign Implantate auszeichnen.



3) Sport, Freizeit

Rennsport-Laufrad
Cosmic Carbon Ultimate von Salomon SAS (France): Felgen aus 12K-Carbongewebe mit ultraleichtem Schaumkern, Speichen aus unidirektionalen Kohlenstofffasern und Nabenkörper (vorne) aus 100 % Kohlenstoff.



4) Energietechnik

Hochleistunges Single-End Glass Roving für Windenergie
WindStrand™ von Owens Corning, LLC: Mit diesem Produkt können Hersteller von Turbinen die Flügellänge um bis zu 6% erweitern und eine bis zu 12% größere Leistung erzielen - mit dem Ergebnis von um bis zu 20% verringerten Kosten im Vergleich zu konkurrierenden, marktüblichen Carbon-Glass-Hybridlösungen.

Faserverbundwerkstoffe und deren Verarbeitung - Vita Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt