Was neue CFK von alten CFK unterscheidet

Carbonfaserverstärkte Strukturen mit thermoplastischer Matrix

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 erfüllen diese Anforderungen sowohl technologisch als auch ökonomisch. Exakt am Übergang von der Forschung in die Fertigung startet die Messe Bremen zusammen mit dem Faserinstitut Bremen die Kongressmesse ITHEC, die am 29. und 30. Oktober 2012 mit Tiefgang alle Fassetten der neuen Technologie beleuchtet.

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 lassen der geringe Automatisierungsgrad und lange Aushärtezeiten die Zykluszeiten anschwellen. Statt mehrerer Stunden verlangt vor allem der auf Großserienfertigung ausgerichtete Automobilbau pro Bauteil Zykluszeiten von einer bis maximal zwei Minuten. Da kommen die Technologien, bei denen die Fasern in eine thermoplastische Matrix eingebettet werden, wie gerufen. Denn mit Thermoplasten sinkt der Zeitbedarf für die Herstellung eines hochfesten Strukturteiles auf das geforderte Niveau. Verständlich, denn anders als Duroplaste werden Thermoplaste durch Erhitzung flüssig und erstarren nach einer kurzen Abkühlphase wieder – wobei sich der Aggregatzustand immer wieder verändern lässt, wodurch die mehrstufige Herstellung komplexer Bauteilgeometrien möglich wird. Der Teilefertigung im Minutentakt steht nahezu nichts mehr im Weg.

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 der langen Zykluszeiten eher in Formel-1- Rennwagen zu finden, als in Pkw der Ober- und Mittelklasse. 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 sogar hinterspritzt werden. Bei solchen Prozessen können hochfeste Strukturteile sogar 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 ursächlich daran, dass thermoplastische Teile in nahezu jeder Prozessstufe problemlos mit weiteren Teilen verschweißt, verklebt oder auf Kunststoffspritzgießmaschinen stoffschlüssig erweitert werden können.“ In ersten Ansätzen ist sogar 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 auch 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.

Backgrounder
Die neu ins Leben gerufene ITHEC 2012 wird der schnell zunehmenden Bedeutung von kohlenstoff-faserverstärkten Bauteilen mit thermoplastischer Matrix gerecht. Diese junge Werkstoffklasse eröffnet dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt, der Windenergietechnik, dem Maschinenbau u.a.m. neue Möglichkeiten bei der kostengünstigen Herstellung faserverstärkter Strukturbauteile. Namhafte Organisationen und Unternehmen geben der von der Messe Bremen durchgeführten Kongressmesse Gewicht:

TenCate Cetex BV.  TPRC ThermoPlastic composite Research Center; LANXESS Deutschland GmbH  Victrex Plc; Daimler AG, Mercedes-Benz Werk Bremen; Krauss Maffei Technologies GmbH  CFK VALLEY Stade e.V.; SAMPE Society for the Advancement of Material and Processes Engineering; NAG Netherlands Aerospace Group; iom3 The Institut of Minerals, Materials and Mining; Netherlands Business Support Office Hamburg  Airborne B.V.; Dutch Thermoplastic Components BV; ETH Zürich; EVONIK Industries AG; Faserinstitut Bremen e.V.; GMA Werkstoffprüfung GmbH; Koelewijn Consulting; NLR Stichting Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium; Premium AEROTEC GmbH; PTS Tech Holding; SUZLON BV.; Technip S.A.S.; Toho Tenax Europe GmbH; TU Chemnitz; TU Delft; Universität Bremen; Volkswagen AG; xperion Aerospace  Europäische Union im Rahmen des EFRE-Programms.

Weitere Informationen und Adressen für Veröffentlichungsbelege:

MESSE BREMEN
WFB WIRTSCHAFTSFÖRDERUNG BREMEN GMBH, Findorffstraße 101; 28215 Bremen
Dr. Hubert Borgmann, Tel. 04 21 / 35 05 – 3 47, Fax 04 21 / 35 05 – 1 55 06
E-Mail: borgmann@messe-bremen.de; Internet: www.messe-bremen.de
und/oder:
energy press Gerhard Vogel, Gartenstraße 4, 86899 Landsberg; Tel. 0 81 91 / 42 000

oder 0171 / 69 81 888, E-Mail: redaktion@energy-press.de

Media Contact

Gerhard Vogel energy press

Weitere Informationen:

http://www.ithec.de

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