Aushärten per Induktion

Im Zuge immer effizienterer Herstellung und Betrieb von Produkten ersetzen faserverstärkte Kunststoffe (FVK) zunehmend konventionelle Werkstoffe. Die Eigenschaften der FVK lassen sich in weiten Bereichen einstellen, womit die Hersteller die Geometrie eines Bauteils und den Werkstoff auf den jeweiligen Anwendungsfall zuschneiden können. Zu den FVK mit hohem Potenzial zur Effizienzsteigerung gehört Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff (CFK), da er hohe Steifigkeiten und Festigkeiten bei geringem Gewicht aufweist. Eine etablierte und vergleichsweise stark automatisierte Methode, rotationssymmetrische Bauteile aus CFK herzustellen, ist das Faserwickelverfahren.

Im Gegensatz zu den Anwendungen gewickelter CFK-Produkte wird beim Herstellungsprozess das Potenzial zur Effizienzsteigerung aber nicht ausgenutzt. Die Vernetzung des duroplastischen Matrixmaterials geschieht üblicherweise in einem bis zu mehrere Stunden andauernden, und dadurch energieaufwendigen, Aushärtungsschritt. Bei den industriell verwendeten Erwärmungsmechanismen, mittels Konvektion oder Infrarot-Strahlung, tritt hierbei ein Temperaturgradient über dem Laminatquerschnitt des Bauteils auf, was dazu führt, dass die verschiedenen Bereiche des Querschnitts zu unterschiedlichen Zeiten aushärten.

Beim Vernetzen duroplastischer Kunststoffe kommt es zudem zu einer charakteristischen Volumenschwindung, die zu inneren mechanischen Spannungen führt, sogenannten Eigenspannungen [2, 3, 4]. Sie können die Belastbarkeit herabsetzen und ein frühzeitiges Versagen des Bauteils ­verursachen [5]. Aus diesem Grund fertigen die Hersteller dickwandige Laminate mithilfe aufwendiger Zwischenhärtungsschritte, was die Fertigungszeiten und den erforderlichen Energieaufwand vervielfacht. In Anbetracht steigender Energiekosten und kurzer Fertigungszeiten handelt es sich hierbei um die wichtigsten Kostentreiber bei der Fertigung von CFK-Bauteilen [6, 7]. Volumetrisches und schnelles Erwärmen gewickelter CFK-Bau­teile mittels Induktion verfügt dahingehend über großes Potenzial zur Effizienzsteigerung.

Quer oder längs gewickelt

Die elektromagnetischen Eigenschaften gewickelter CFK-Bauteile variieren in weiten Bereichen, da das Wickelmuster auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst wird: Ein auf Zug belastetes Bauteil enthält vorwiegend in axiale Richtung orientierte Verstärkungsfasern, während die Fasern bei Innendruck belasteten Rohren vorwiegend in Umfangsrichtung orientiert sind. Durch diese unterschiedlichen Faserorientierungen entstehen die charakteristischen Wickelmuster. Für eine industrielle Anwendung der Induktionserwärmung ist es entscheidend, die Potenziale und Grenzen der induktiven Erwärmung in Abhängigkeit des Wickelmusters zu erfassen.

Hierzu hat das IKV ein Messsystem installiert: In dickwandige CFK-Rohre, mit einer Laminatdicke von 20 mm, einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Länge von 500 mm sowie mit unterschiedlichen Wickelmustern legten die Wissenschaftler faseroptische Sensoren des Typs TC-03 der Firma FBGS, Jena, ein. Diese ermöglichen die Temperaturerfassug ohne metallische Komponenten und liefern somit auch in einer elektromagnetisch stark beeinflussten Umgebung zuverlässige Messwerte. Die faseroptischen Sensoren befinden sich an drei Positionen über dem Querschnitt: kernnah, mittig sowie oberflächennah, und besitzen jeweils fünf Messpunkte verteilt über die Bauteillänge. So zeichen sie ein axiales und radiales Temperaturprofil des gesamten Bauteils während des Erwärmens auf.

Die Untersuchungen der Erwärmung erfolgen an ausgehärteten Probekörpern mit oben genannter Geometrie und einem Faservolumengehalt von circa 50 Prozent. Obwohl sich die dielektrischen Eigenschaften vernetzter und unvernetzter Duroplaste unterscheiden, sind mit diesem weniger komplexen Versuchsaufbau grundsätzliche Aussagen zum Erwärmungsverhalten möglich, da der ausgehärtete Zustand die Leitfähigkeit der Fasern nicht beeinträchtigt. Zum Einsatz kommen Rovings des Typs STS40 F13 (1600 tex) der Firma Toho Tenax, Wuppertal, sowie ein Harzsystem vom Typ LY 556/HY 917/Accelerator 960 1 der Firma Huntsman, Bergkamen. Die Versuche beinhalten zwei verschiedene Wickelmuster, die jeweils eine Orientierung von ±45° aufweisen, jedoch eine unterschiedliche Dichte an Kreuzungspunkten besitzen.

Viele Kreuzungen, viel Wärme

Die hier vorgestellten Ergebnisse zu den Erwärmungseigenschaften der unterschiedlichen Wickelmuster erzielten die Beteiligten mit einem Hochfrequenzgenerator des Typs HFG 15 der Firma Eldec Schwenk Induction, Dornstetten, der mit einer Frequenz von 120 kHz im Hochfrequenzbereich arbeitet. In Voruntersuchungen haben die Ingenieure ermittelt, dass sich in diesem Frequenzbereich im Vergleich zum Mittelfrequenzbereich bei 10-25 kHz eine effektivere Absorption erreichen lässt. Dazu kam ein einwindiger Nadelinduktor zum Einsatz, parallel zum rotierenden Bauteil im Abstand von 2-5 mm mit einer Leistung von 1,4 kW. Um ein Beeinflussen der Messdaten zu vermeiden, wurde ein Wickelkern aus Polyamid eingesetzt, der keine elektromagnetische Energie absorbiert.

Die Untersuchungen zeigen, dass insbesondere ein Wickelmuster mit hoher Kreuzungsdichte die elektromagnetische Energie absorbiert. Anhand der kern- und oberflächennahen Messwerte lässt sich erkennen, dass oberflächennah eine höhere Erwärmung auftritt. Auch kernnah zeigen die Daten Erwärmungsraten von circa 10 K/min. Dabei treten Temperaturunterschiede zwischen kernnahen und oberflächennahen Bauteilbereichen (radiale In­homogenität) von bis zu 35 K auf. Ein Wickelmuster mit einer geringen Kreuzungsdichte lässt sich dagegen wenig erwärmen.

In Faserrichtung erwärmen

Die dargestellte geringe Erwärmung von Bauteilen mit geringer Kreuzungsdichte lässt sich erhöhen: Wird der Nadelinduktor parallel zur Faserorientierung ausgerichtet (45° zur Bauteil­achse), steigt die Temperatur des Bauteils schneller als wenn der Induktor parallel zum Bauteil steht. Hierbei ist zu beachten, dass bei einem einwindigen Induktor die Erwärmung lediglich lokal stattfindet und eine geringere Leistung eingekoppelt wird. Ein schnelleres, jedoch radial inhomogeneres Erwärmen lässt sich durch das Verwenden eines ringförmigen Induktors (einwindig, Innendurchmesser 85 mm) erreichen, der das Bauteil umschließt. Diese Konfiguration erzielt kernnahe Aufheizraten von circa 9 K/min bei einer radialen Inhomogenität von maximal 30 K. Eine lineare Führung des Ringinduktors entlang des Bauteils kann ebenso die axiale Homogenität herstellen.

Eine weitere Möglichkeit, die Erwärmungscharakteristik zu verbessern, ist es, einen stählernen Wickelkern anstelle eines Polyamidkerns zu verwenden. Durchschnittlich beträgt die Aufheizrate circa 3,5 K/min, wobei sich der kernnahe Bereich schneller erwärmt als die Oberfläche des Bauteils. Das ermöglicht ein Erwärmen aus dem Inneren des Bauteils.

Effekte am Rande

Die oben beschriebene Erwärmungscharakteristik bildet sich im Bereich des Induktors aus, in dem ein homogenes Magnetfeld vorliegt. In den ersten zehn Minuten der induktiven Erwärmung, wobei der Nadelinduktor parallel zum Bauteil ausgerichtet ist und der Kern aus Polyamid besteht, treten deutliche Randeffekte im axialen Temperaturprofil auf. Bei einer geringen Kreuzungsdichte fällt die bessere Absorption in einem Randbereich auf. Vermutlich beruht dieser Effekt auf der unterschiedlichen Orientierung des Magnetfeldes im Mittel- und Randbereich des Induktors, sodass ein unterschiedlicher, zur Energieeinkopplung effektiverer Winkel zur Faserorientierung besteht. Der gegenteilige Effekt ist bei einem Wickelmuster hoher Kreuzungsdichte zu beobachten.

Induktoren für komplexe Bauteile

Das induktive Erwärmen gewickelter CFK-Bauteile bietet verschiedene Möglichkeiten, das axiale und radiale Temperaturprofil im Bauteil zu beeinflussen. Dabei ist je nach Wickelmuster und Prozessparametern eine oberflächennahe bis kernnahe Absorption der eingebrachten Energie möglich. Somit lässt sich die Vernetzungsreak­tion örtlich und zeitlich gezielt beeinflussen, um die gewünschten Bautei-Eigenschaften und eine wirtschaftliche Fertigung zu erzielen.

Weitergehende Untersuchungen sollen die erreichbaren Bauteil-Eigenschaften beleuchten, wie Vernetzungsgrad und Eigenspannungszustand. Außerdem wollen die Wissenschaftler die Abhängigkeit der Erwärmungs-Charakteristik von den einzelnen Prozessparametern quantifizieren. Die Daten fließen in ein Modell ein, mit dem Anwender die voraussichtlichen Erwärmungseigenschaften typischer Wickelmuster abschätzen können. Damit sollen die Erkenntnisse die Entwicklung von Induktorgeometrien für komplexere Bauteilformen unterstützen, zum Beispiel Druckbehälter.

Das IGF-Forschungsvorhaben 17508 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

Verfahren im Detail

Wirkungsweise der Induktionserwärmung

Das Prinzip der Induktionserwärmung basiert darauf, einen metallischen Leiter (Induktor) mit einem Wechselstrom zu beaufschlagen, den ein Induktionsgenerator erzeugt. Dadurch baut der Induktor ein elektromagnetisches Wechselfeld in seiner Umgebung auf. Wird nun ein elektrisch leitendes Bauteil in die Nähe gebracht, induziert er eine Spannung. Der Widerstand des Bauteils wandelt diese Spannung daraufhin in Wärme um. Da Kohlenstofffasern elektrisch leitend sind, lassen sie sich induktiv erwärmen. Dabei erwärmen sie sich durch Joule’sche Verluste innerhalb der Kohlenstofffasern durch ihren elektrischen Widerstand, durch Widerstandsverluste an den Kontaktpunkten der Kohlenstofffasern untereinander und durch dielektrische Hysterese im umgebenden Matrixmaterial [8, 9, 10, 11, 12].

Literatur

[1] Steidle, H.: Wellen, die begeistern. WB Werkstatt + Betrieb 10/2011. München: Carl Hanser Verlag, S. 50–52
[2] Blumenstock, T.: Analyse der Eigenspannungen während der Aushärtung von Epoxidharzmassen. Universität Stuttgart, Dissertation, 2003
[3] Chern, B.C.; Moon, T.J.; Howell, J.R.: On-line Processing of Unidirectional Fiber Composites Using Radiative Heating: I. Model. Journal of Composite Materials 36 (2002) 16, S. 1905–1934
[4] Kim, C.; White, S.R.: Continuous Curing and Induced Thermal Stresses of a Thick Filament Wound Composite Cylinder. Journal of Reinforced Plastics and Composites 20 (2001) 2, S. 166–180
[5] Merzlyakov, M.; McKenna, G.B.; Simon, S.L.: Cure-induced and thermal stresses in a constrained epoxy resin. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 37 (2006) 4, S. 585–591
[6] Lee, D.H.; Kim, S.K.; Lee, W.I.; Ha, S.K.; Tsai, S.W.: Smart cure of thick composite filament wound structures to minimize the development of residual stresses. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 37 (2006) 4, S. 530–537
[7] Stern, M.: Electro-Beam Curing of Polymeric Composites as an Enabling Technology for Advanced Manufacturing. Proceedings of the Composites Institut‘s International Conference, ICE ‚99 – International Composites Expo ‚99, The Society of the Plastics Industry. Cincinnati, Ohio, USA, 1999
[8] Yarlagadda, S.; Kim, H.J.; Gillespie Jr., J.W.; Shevchenko, N.B.; Fink, B.K.: A Study on the Induction Heating of Conductive Fiber Reinforced Composites. Journal of Composite Materials 36 (2002) 4, S. 401–421
[9] Ahmed, T.J.; Starov, D.; Bersee, H.E.N.; Beukers, A.: Induction welding of thermoplastic composites – An overview. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 37 (2006) 10, S. 1638–1651
[10] Ströhlein, T.: Volumetrische Erwärmung von Kohlenstofffaserhalbzeugen. Forschungsbericht, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 2012
[11] Kim, H.J.; Yarlagadda, S.; Shevchenko, N.B.; Fink, B.K.; Gillespie Jr., J.W.: Development of a Numerical Model to Predict In-Plane Heat Generation Patterns During Induction Processing of Carbon Fiber-Reinforced Prepreg Stacks. Journal of Composite Materials 37 (2003) 16, S. 1461–1483
[12] Mitschang, P.; Rudolf, R.; Neitzel, M.: Continuous Induction Welding Process, Modelling and Realisation. Journal of Thermoplastic Composite Materials 15 (2002) 2, S. 127–153