CFK Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT

Kohlenstofffasern und erhitzter Kunststoff verbinden sich unter Druck zu einer homogenen CFK-Platte. Mit Infrarotstrahlung unter Vakuum geht das schnell und energieeffizient. Bild: Fraunhofer ICT

In heutigen Anlagen zur CFK-Fertigung kommen häufig große, kostenintensive Anlagen zum Einsatz. Sie pressen den aufgeschmolzenen Kunststoff zwischen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff oder Glas. Der Kunststoff wird dabei nur indirekt – über die massiven Presswerkzeuge – erhitzt. Die Werkzeuge müssen bewegt, bei variothermer Prozessführung zyklisch aufgeheizt und wieder abgekühlt werden. Dabei wird prozessabhängig viel Energie und Zeit benötigt. Durch die zum Teil hohen Investitionskosten für Pressen und andere Großanlagen sind kleinere und mittlere Fertigungszahlen häufig nicht rentabel. Doch hierfür gibt es eine Alternative: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT erhitzen CFK direkt unter Vakuum mit Infrarotstrahlung. Die Energie wirkt dort, wo sie gebraucht wird. Sofort.

Für die Werkzeugwand fanden die Forscher ein Material, das die Infrarotstrahlung im gewünschten Wellenlängenbereich durchlässt und gleichzeitig fast keine eigene Wärmedehnung aufweist. Üblicherweise dauern Vakuum-basierte variotherme Fertigungsprozesse je nach Dicke des Bauteils zwischen 30 min und mehreren Stunden. Mit dem Ansatz des ICT geht das unter 60 s, heißt es.

„Unser Verfahren ist schneller, wirtschaftlicher und energieeffizienter als der aktuelle Stand der Technik“, sagt Sebastian Baumgärtner, Maschinenbauingenieur am ICT. Die Verarbeitung im Vakuum schont das Material. Der Kunststoff oxidiert nicht wie in offenen Verfahren. Eingeschlossene Luft und mögliche Abgase werden abgesaugt. Der Prozess läuft sehr stabil und ist einfach zu nutzen. „Um CFK zu erhitzen eignen sich bei unserem Ansatz alle elektromagnetischen Strahlen, also auch Mikrowellenstrahlen“, so Baumgärtner. Die Industrie spart Energie, Kosten, Verbrauchsmaterialien und kann schneller fertigen. Das Verfahren ist sowohl für Groß- als auch für Kleinserien geeignet. „Es profitieren insbesondere kleinere und mittelgroße Unternehmen, die sich keine teure Anlagentechnik leisten wollen“, berichtet Baumgärtner.

Auf einer Testanlage fertigen die Forscher mit dem Verfahren 40 x 40 cm große CFK-Platten. Ähnlich große Teile befinden sich bereits in Sportartikeln oder Automobilteilen. „Unsere Anlage passt in einen normalen Fertigungsbereich“, so Baumgärtner weiter. Im Gegensatz zu großen Pressen fallen Ober- und Unterbau sowie ein spezielles Fundament weg. Die Anlage fertigt verzugsfreie Platten. „Das ist eine große Herausforderung beim Fertigen von CFK. Wir heizen und kühlen symmetrisch, nutzen eine wärmedehnungsfreie Werkzeugwand und arbeiten mit relativ geringem Prozessdruck, um den ungewollten Quetschfluss zu vermeiden“, sagt Baumgärtner. Durch die glatte Oberfläche der Werkzeugwand entsteht zudem eine nahezu spiegelnde CFK-Plattenoberfläche. Das sei im finalen Bauteil insbesondere für Anwendungen im Sichtbereich sehr vorteilhaft.

Der Kunststoff erwärmt sich sofort nach Anschalten der Infrarotstrahler. Wieviel Energie genau eingespart wird, können die Wissenschaftler noch nicht sagen. „Noch fehlen uns die exakten Vergleichszahlen. Der Effekt wird aber deutlich sein, da keine großen thermischen Massen aufgeheizt und wieder abgekühlt werden müssen, wie das beim Pressverfahren der Fall ist“, so Forscher Baumgärtner.