Das Leichtbau Zentrum Sachsen (LZS) entwickelte zusammen mit Materialhersteller New Era Materials (NEM) zwei neue Verfahren, die eine stark vereinfachte Herstellung duroplastischer Hochleistungs-Faserverbundbauteile ermöglichen. Die Technologien Resin Powder Moulding (RPM) und Thermoset Sheet Forming (TSF) zeichnen sich durch die Verwendung modifizierter Epoxidharze mit thermoplastischen Verarbeitungseigenschaften aus. Sowohl für das RPM als auch für das TSF werden handelsübliche Epoxidharze mit speziellen Additiven so modifiziert, dass sie schmelzbar und somit thermoplastisch verarbeitbar sind. Je nach eingesetztem Verfahren werden die modifizierten Harze zunächst zu Pulvern (Adjustable Simple Thermoset (A.S.Set)-Powder) oder zu plattenförmigen Halbzeugen mit Endlosfaserverstärkung (A.S.Set-Sheets) verarbeitet.

Beim RPM wird das pulverförmige Harz mit einfacher Sprüh- oder Siebtechnik auf eine textile Preform aufgetragen. Durch Wärmezufuhr schmilzt das Pulver und die Preform kann mit einfacher Presstechnik infiltriert werden. Bei weiterer Temperaturerhöhung härtet das Harz innerhalb kürzester Zeit duroplastisch aus. Beim RPM entfällt eine aufwändige Dosier- und Injektionstechnik, die sonst zur Verarbeitung von Reaktionsharzen erforderlich ist. Damit ist gegenüber der Hochdruck-RTM-Technik oder dem Nasspressverfahren mit Hochdruck-Dosiertechnik eine deutliche Kosteneinsparung verbunden.

Mehrfache Umformung ist möglich

Die plattenförmigen Halbzeuge werden im Thermoset Sheet Forming verarbeitet. Bei Temperaturerhöhung erweichen die Halbzeuge und sind so, ähnlich wie thermoplastische Organobleche, thermisch umformbar. Bei weiterer Temperaturerhöhung härten sie duroplastisch aus, was den daraus hergestellten Produkten gute mechanische und thermische Eigenschaften verleiht. Das Besondere hierbei: Solange die Produkte nicht endvernetzt sind, können Sie mehrfach umgeformt werden. So kann der TSF-Prozess mehrstufig angewandt werden, um die Herstellung besonders komplexer Bauteile zu ermöglichen.

In den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am LZS wurden zahlreiche Fertigungsstudien zur Verarbeitung der jeweiligen A.S.Set-Ausgangsstoffe durchgeführt. So wurden etwa für das RPM unterschiedliche Varianten der Pulverapplikation erprobt. Neben einer Siebdosierung konnte auch der Auftrag mittels Sprühpistole erfolgreich umgesetzt werden. Beide Methoden lassen sich ohne Weiteres automatisieren. Das Pulver kann dabei sowohl zwischen die verschiedenen Lagen einer Preform eingebracht als auch auf die komplettierte Preform appliziert werden.

Die durchgeführten Fertigungsstudien zeigen, dass eine Konsolidierung der Verbunde bereits bei Drücken von wenigen Bar und Temperaturen von ca. 130 °C möglich ist (abhängig von eingesetztem Basisharz und Modifikationsstufe). Trotz der moderaten Prozessbedingungen können hohe Oberflächenqualitäten und hohe Faservolumengehalte (bis 60 %) erzielt werden. Demnach ist neben klassischen Pressen auch der Einsatz leichter und effizienter Formenträger oder gar eine Konsolidierung im Diaphragmaverfahren möglich. Durch die geringen Pressdrücke lassen sich auch Sandwichverbunde mit Faserverbundeckschicht und Wabenkernen fertigen, ohne dass die Sandwichkerne kollabieren.

Geringe Investition zur Fertigung kleiner Stückzahlen

Die bereits beschriebenen Vorteile bei der Prozessgestaltung prädestinieren das RPM auch für die Fertigung von Prototypen in geringer Stückzahl, da die Investitionen für Werkzeuge vergleichsweise gering sind. Beispielhaft wurden Spanten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) im RPM Verfahren im Autoklav gefertigt. Gegenüber Prepregs, die häufig für Prototypen und Kleinserien zum Einsatz kommen, sind hierbei wesentlich kürzere Zykluszeiten erzielbar. Darüber hinaus sind die eingesetzten Rohstoffe auch bei Raumtemperatur über mindestens sechs Monate lagerstabil. Somit entfällt die bei der Prepregverarbeitung erforderliche kostenintensive Kühlung der Ausgangsstoffe.

Neben dem Resin Powder Moulding ist auch das Thermoset Sheet Forming am Beispiel von wannenförmigen Bauteilen erfolgreich erprobt worden. Hier erfolgt das Aufheizen der Halbzeuge außerhalb des Werkzeugs in einem Infrarotheizfeld. Nach dem Überschreiten der Erweichungstemperatur wird das Halbzeug in das Werkzeug gelegt, beim Schließen der Form umgeformt und anschließend konsolidiert. Auch hierbei sind nur geringe Pressdrücke erforderlich, um eine hohe Bauteilqualität zu erzielen. Auf diese Art und Weise wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Platten mit unterschiedlichen Verstärkungsfasern (Glas-, Kohlenstoff- und Naturfasern) verarbeitet.

Eigenschaftsprofile der Produkte

In werkstoffmechanischen Untersuchungen erfolgte die Charakterisierung von Verbunden, die mittels RPM gefertigt wurden. Hierbei zeigte sich, dass die untersuchten Verbunde durchweg das Eigenschaftsniveau von klassisch gefertigten Faserverbunden aufweisen. Die neu entwickelten Verfahren RPM und TSF zeigen Vorteile gegenüber konventionellen Verarbeitungsverfahren. So sind die Investitionskosten für Maschinen und Werkzeuge aufgrund der einfachen Prozesstechnik und der geringen Werkzeuganforderungen wesentlich niedriger als die Kosten, die für die Fertigung vergleichbarer duroplastischer Faserverbundbauteile investiert werden müssen.

Die Preise für die verwendeten Werkstoffe sind nicht höher als bei vergleichbaren Materialien. Ein weiterer Vorteil besteht in der hohen Variabilität bei Materialien und Prozessführung. RPM und TSF funktionieren mit einer großen Bandbreite verschiedener Epoxidharz-Matrixsysteme und Verstärkungswerkstoffen und können so den individuellen Anforderungen hinsichtlich mechanischer, thermischer und chemischer Eigenschaften angepasst werden. Auch die Prozessfenster, etwa die Erweichungs- oder Vernetzungstemperatur, sind in weiten Grenzen einstellbar.

Durch spezielle Additive lassen sich weitere Modifikationen vornehmen: So ist es beispielsweise möglich, das Pulver mit Farbpigmenten, Flammhemmern oder internen Trennmitteln zu versehen. Das bei flüssigen Harzsystemen bekannte Ausfällen der Additive während der Lagerung tritt bei den beschriebenen Werkstoffen nicht auf.

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Über den Autor

Sirko Geller ist am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden tätig. Ole Renner ist Projektgruppenleiter beim Leichtbau-Zentrum Sachsen in Dresden.