Kurze Zykluszeit – hohe Qualität

Faserverstärkte Kunststoffe werden überall dort eingesetzt, wo hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gefordert sind. Die höchsten mechanischen Eigenschaften können mit Endlosfasern erreicht werden. Hochleistungsbauteile werden daher in der Regel aus Endlosfasern hergestellt. Die Fasern werden dabei belastungsgerecht im Bauteil ausgerichtet. Anwendungsgebiete für Hochleistungsbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen finden sich beispielsweise in der Luft und Raumfahrt, im Transportwesen oder in der Sport- und Freizeitindustrie.

Trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften bleibt der Großserieneinsatz der endlosfaserverstärkten Kunststoffe bislang beschränkt. Dies liegt unter anderem daran, dass kein geeignetes Großserienverfahren zur Fertigung von endlosfaserverstärkten Hochleistungsbauteilen zur Verfügung steht. Die existierenden Fertigungsverfahren wie das Prepreg-Tapelegen, das Harzinjektionsverfahren (RTM) oder das Harzinfusionsverfahren (RI) sind aufgrund von langen Fertigungszeiten nur für kleine bis mittlere Stückzahlen geeignet. Vielfach beinhalten die Verfahren einen hohen Anteil manueller Arbeit, was sich negativ auf die Fertigungszeit, die Bauteilqualität und auf die Bauteilkosten auswirkt.
An der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen werden daher unter Beteiligung des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV), des Instituts für Textiltechnik (ITA) und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) im Rahmen der Forschergruppe 860, welche durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, neue großserientaugliche Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkte Kunststoffe erforscht. Ziel ist die automatisierte Fertigung von Hochleistungsbauteilen mit einem Faservolumengehalt von über 50 % in Zykluszeiten unter 10 Minuten.

Neue Fertigungsstrategie

Bei der konventionellen Fertigung von endlosfaserverstärkten Bauteilen im RTM- oder RI-Verfahren werden die Fasern zunächst in ein Formwerkzeug eingelegt und bei geringer Temperatur mit dem Harz imprägniert. Danach erfolgt in der Regel die Erwärmung des Werkzeugs für eine schnelle Aushärtung oder Vernetzung des Harzes. Nach der Aushärtung wird das Werkzeug für den nächsten Zyklus abgekühlt und das Bauteil entformt. Diese nicht isotherme Prozessführung mit Aufheiz- und Abkühlvorgängen führt zu langen Zykluszeiten. Die Strategie, welche daher am IKV verfolgt wird, ist die Vermeidung der Aufheiz- und Abkühlvorgänge der Werkzeuge, durch die Trennung und Parallelisierung der Prozessschritte „Imprägnieren“ und „Formen und Vernetzen“.

Das endkonturnahe Faserhalbzeug (Preform) wird dabei zunächst mit dem Harz imprägniert und dann in ein neu entwickeltes, heißes Presswerkzeug transferiert und unter hohem Druck zum Bauteil ausgeformt und vernetzt. Für die Imprägnierung der Preforms werden zwei neuartige Verfahren, das so genannte Resin Spray Prepregging und das Resin Transfer Prepregging eingesetzt.

Innovative Imprägnierverfahren

Bei dem ersten Verfahren wird durch einen Sprühprozess, flächig Polyurethan-harz (PUR) auf den nicht komprimierten Preform aufgebracht. Der Preform wird dazu von einem Roboter unter einen stationären PUR-Sprühmischkopf geführt, der sich in einer einseitig offenen Sprühkabine befindet. Die Sprühkabine besitzt eine leistungsstarke Absaugung, um eine Kontaminierung der Umgebung zu vermeiden. Aus dem Sprühmischkopf wird ein aufgefächerter Sprühstrahl ausgetragen. Der Auftrag des PUR-Matrixsystems kann einseitig und beidseitig erfolgen.

Bei dem zweiten Verfahren wird der Preform in einem geschlossenen Tauchkantenwerkzeug, ebenfalls im nicht komprimierten Zustand, unter erhöhtem Druck mit Epoxidharz imprägniert. Das Werkzeug ist dazu mit sieben neu konstruierten Injektoreinheiten ausgestattet. Die Einheiten werden gekühlt, um zwischen den Zyklen die Reaktivität des Harzes herabzusetzen und eine frühzeitige Vernetzung zu vermeiden. Anschließend werden sie erwärmt, um bei der Imprägnierung die Viskosität des Harzes herabzusetzen und die Fließfähigkeit zu erhöhen. Um die Entformung zu ermöglichen, wird der imprägnierte Preform in dem konstant gekühlten Werkzeug eingefroren. Die Viskosität des Harzes wird dadurch derart gesteigert, dass der Preform ohne zu Tropfen entnommen werden kann. Das Werkzeug ist dazu mit einer Kühlung ausgestattet.

Pressverfahren mit Nebenkavität

Die imprägnierten Preforms werden nun in ein Presswerkzeug mit Nebenkavität transferiert. Für eine schnelle Formgebung und Vernetzung wird das Presswerkzeug konstant beheizt. Da die Preforms im nicht komprimierten Zustand, bei einem geringen Faservolumengehalt imprägniert wurden, muss der Faservolumengehalt bei dem Pressvorgang gezielt gesteigert werden. Überschüssiges Harz wird daher aus dem imprägnierten Preform heraus gepresst. Das Presswerkzeug besitzt dazu, neben der Hauptkavität zur Formgebung des Bauteils, eine so genannte Nebenkavität. Die Nebenkavität ist durch einen Überlauf mit der Hauptkavität verbunden. Das Volumen der Nebenkavität wird über einen Schieber reguliert.

Nachdem der imprägnierte Preform in das Werkzeug eingelegt wurde, wird das Werkzeug geschlossen. Durch Vakuum wird die Kavität bei dem Schließvorgang evakuiert und Lufteinschlüsse und Poren aus dem Preform möglichst vollständig extrahiert. Durch die Erwärmung des Preforms wird die Viskosität des Harzes herabgesetzt und es kommt ggf. zu einer Nachimprägnierung von noch trockenen Bereichen im Preform. Nach der Erwärmung wird das überschüssige Harz aus dem Preform herausgepresst. Das Volumen der Nebenkavität wird dazu durch das Verfahren des Schiebers kontrolliert freigegeben. Das überschüssige Harz wird so lange aus dem Preform herausgepresst, bis der gewünschte Faservolumengehalt bzw. die gewünschte Bauteildicke erreicht ist. Danach wird das Verfahren des Schiebers gestoppt und das Bauteil sowie das überschüssige Harz in der Nebenkavität unter Nachdruck ausgehärtet. So kann trotz variierender Harzmenge eine reproduzierbare Bauteildicke erreicht werden.
Zur Prozessanalyse wurde ein Presswerkzeug mit Dickensprung konstruiert, das durch Wechseleinsätze für die Herstellung von ebenen und gekrümmten Bauteilen mit Dickensprung geeignet ist. Das Werkzeug wurde mit Druck-, Temperatur- und Ultraschallsensoren ausgestattet, welche eine umfassende Prozessüberwachung ermöglichen. Die Nebenkavität des Werkzeugs befindet sich im Grund der Hauptkavität. Die Entformungsrichtungen des Bauteils und des überschüssigen Harzes in der Nebenkavität sind gleichgerichtet. Der Schieber der Nebenkavität wird durch einen computergesteuerten Hydraulikzylinder verfahren. Zunächst wurden mit diesem Werkzeug, unter der Variation der Prozessparameter Presskraft, Haltezeit bis zum Herauspressen des Harzes und Abströmgeschwindigkeit des Harzes, ebene Bauteile gefertigt.
Durch die Trennung und Parallelisierung der Prozessschritte „Imprägnieren“ und „Formen und Vernetzen“ konnten durch den Einsatz der neuartigen Imprägnierverfahren und des neuartigen Pressprozesses, Hochleistungsbauteile mit einem Faservolumengehalt von über 50 % in einer Prozesszeit von unter 10 Minuten hergestellt werden.
Die Bauteile weisen optisch keinerlei Fehlstellen auf. Die flächige Analyse der Bauteile mit Hilfe der Ultraschallmesstechnik (C-Scan) bestätigt die hohe Qualität der Bauteile. Es konnten keine Fehlstellen, wie nicht imprägnierte Bereiche oder Poren im Inneren der Bauteile, detektiert werden. Durch die Entnahme von Proben und die Anfertigung von Schliffbildern wurde die vollständige Imprägnierung der Filamente nachgewiesen.

Die scheinbare interlaminare Scherfestigkeit (DIN EN 14130) der Bauteile mit Epoxidmatrix zeigt ebenfalls eine gleichbleibend hohe Qualität der Bauteile und einen, im Rahmen der durchgeführten Variationen nicht nachweisbaren Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteilqualität. Die scheinbare interlaminare Scherfestigkeit der Bauteile mit Epoxidmatrix beträgt etwa 46N/mm². Aufgrund der hohen Zähigkeit der PUR-Matrix konnte bei den PUR-Bauteilen bisher kein interlaminares Scherversagen nach der oben genannten Norm herbeigeführt werden.

Neue Technologien
Prozessanalyse ausweiten

Zurzeit wird die Prozessanalyse an ebenen Bauteilen mit Dickensprung fortgesetzt. Durch die Erhöhung der Temperatur des Presswerkzeugs kann hier die Prozesszeit zukünftig verkürzt werden.
Im Anschluss an die Untersuchungen zur Fertigung von ebenen Bauteilen wird das Presswerkzeug für die Fertigung von gekrümmten Bauteilen mit Dickensprung umgerüstet und der Fertigungsprozesses für gekrümmte Bauteile analysiert.
Schließlich kann die Prozessanalyse auf Bauteile mit komplexen Strukturen wie Durchbrüche, Inserts und Versteifungen ausgeweitet werden.