Thermoplaste, CFK

Im Augsburger DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie wurde eine komplette ‚Fabrik‘ zur Herstellung von Crashelementen für Helicopter aufgebaut – einschließlich einer hallenhohen Heißpresse, einem visiongestützten Robotersystem und einer neuartigen Spannvorrichtung für das Thermoformen von Prepregs. - Bild: DLR

An CFK-Strukturteilen mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen finden nahezu alle Branchen Gefallen: von der Luftfahrt über den Automobilbau bis hin zum Windenergieanlagen- und Maschinenbau. Denn Thermoplaste lassen Taktzeiten von rund einer Minute zu – im Gegensatz zu Duroplasten, bei denen die chemische Reaktion von Harzen und Härtern oft stundenlang dauert. Nicht weniger interessiert die Industrie die Tatsache, dass thermoplastische Teile allein durch Erwärmung immer wieder umgeformt, in Spritzgießmaschinen umspritzt und per Laser oder Ultraschall stoffschlüssig miteinander verbunden werden können.

Thermoplastische Verbundwerkstoffe sind die Zukunft

Professor Axel S. Herrmann
Professor Axel S. Herrmann, Chef des Bremer Faserinstituts und Geschäftsführer der Airbus-Tochtergesellschaft CTC in Stade, gehört zu den treibenden Kräften im Bereich der faserverstärkten Thermoplaste. - Bild: Faserinstitut Bremen

Professor Axel S. Herrmann, Chef des Bremer Faserinstituts und Geschäftsführer der Airbus-Tochtergesellschaft CTC in Stade und damit Forscher und Anwender zugleich, sagt dem Segment der thermoplastischen Verbundwerkstoffe eine glänzende Zukunft voraus: „Die breite Palette der thermoplastischen Verbundwerkstoffe, die in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobil-Industrie bereits eingesetzt werden, dokumentiert die großen, bereits erzielten technischen Fortschritte ebenso wie den wirt-schaftlichen Nutzen der neuen Technologie. Deshalb erwarte ich, dass in den kommenden zehn Jahren Volumensteigerungen von 200 bis 300 Prozent eintreten werden.“

Diese Zunahme dürfte sogar vorsichtig geschätzt sein, denn schon jetzt zeigt sich, mit welcher Intensität Industrie und anwendungsnahe Forschung Verfahren für die hoch rationelle Produktion thermoplastischer Composites entwickelt.

So bei der kathodischen Tauchlackierung von Fahrzeugstrukturen aus Blech, in die bereits CFK-Teile integriert wurden. Ähnliches gilt für GFK, kommt doch bei einer neuen Autositzstruktur eine Art Bolzenschweißen zum Einsatz, um die metallische Verstellmechanik mit einer GFK-Struktur zu verbinden.

Lesen Sie nachfolgend weitere Details und Beispiele:

1. Thermoplastisches CFK und GFK mehrmals ‚erweichen‘

Bei einigen Anwendungen erweist sich die Wärme, mit der sich thermoplastisches CFK und GFK immer wieder ‚erweichen‘ lässt, als Schlüssel für die Gestaltung neuer Produktionsabläufe. So hat das Augsburger DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie zum Beispiel ein neuartiges flexibles Automatisierungssystem für die Serienproduktion von carbonfaserverstärkten Thermoplasten geschaffen. „Dieses System hilft, Carbonfasern zu sparen und zugleich die Produktivität bei der Herstellung von CFK-Strukturteilen zu steigern“, berichtet DLR-Forscher Matthias Beyrle.

In der ‚Labor-Fabrikhalle‘ des Instituts steht seit Kurzem eine komplette Produktionsanlage zur Herstellung von Crashelementen für Hubschrauber, die bei zu hartem Aufsetzen Schäden an den Helikoptern vermeiden. Die Prozesskette reicht von der Verarbeitung angelieferter unidirektional faserverstärkter UD-Tapes zu verschnittarmen Organoblechen bis hin zur Produktion des Strukturelements, das als ‚Wellholm‘ bezeichnet wird. „Solche Teile als duroplastische Thermoset-Bauteile herzustellen, wäre nahezu nicht möglich und schon gar nicht bezahlbar“, betont Beyrle. Zumal nur die Einzelteile aus Thermoplasten stoffschlüssig miteinander verbunden werden können.

2. Tauchlackierung von Blechen mit integrierten CFK-Teilen

Tauchlakierung
Bei BMW lernen Fahrzeugstrukturen aus Metall, an denen auch CFK-Teile mit thermoplastischer Matrix verbaut sind, das Tauchen. - Bild: BMW

Auf manchen Gebieten hat die Forschung allerdings noch große Aufgaben vor sich. So erforscht BMW in Landshut zurzeit das Verhalten von Fahrzeugstrukturen aus Metall mit integrierten CFK-Teilen bei der kathodischen Tauchlackierung. Werden die Kunststoffteile beim Tauchen die Wirkung der Chemikalien schadlos überstehen und anschließend auch noch die Gluthitze von rund 185 °C in den Trocknern? Von Vorteil dürfte dabei die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Thermoplaste sein, deren Schmelzpunkt oft weit über den Temperaturen im Trockenkanal liegt.

3. Hochfeste Strukturteile per Hybrid-Spritzgießen

Hybrid-Spritzgießverfahren
Das US-Unternehmen Tri-Mack Plastics Manufacturing, ein Hersteller von Flugzeughalterungen, hat gemeinsam mit Victrex das Hybrid-Spritzgießverfahren entwickelt. Dieses führt den Unterschied zwischen der Thermoset-Produktion und der Verarbeitung faserverstärkter Thermoplaste deutlich vor Augen. - Bild: Victrex

Zusammen mit den US-amerikanischen Unternehmen Tri-Mack Plastics Manufacturing, einem Hersteller von Flugzeughalterungen, die in der Luftfahrtbranche als Brackets bezeichnet werden, hat der Werkstoffhersteller Victrex eine Kombination aus Werkstoff und Produktionsprozess entwickelt, mit der hochfeste Strukturteile per Hybrid-Spritzgießen hergestellt werden. Damit lassen sich auf Spritzgießmaschinen kostengünstig endlosfaserverstärkte PAEK-Composite-Halbzeuge (Polyaryletherketone) mit PEEK-Werkstoffen (Polyetheretherketon) umspritzen. Dies führt zu Bauteilen, die stabiler, kostengünstiger und bis zu 60 % leichter sind als herkömmlich verwendete Metallteile oder duroplastische Thermoset-Teile.

Die mit Taktzeiten von rund einer Minute produzierbaren Brackets werden zu Tausenden zwischen dem Cockpit und dem Heck moderner Flugzeuge eingebaut. Den Hybridteilen liegen mit unidirektionalen Tapes und Laminaten verstärkte Prepregs zugrunde, also endlosfaserverstärkte Halbzeuge, die unter Belastung ausgezeichnete Leistungen erbringen. Diese werden ohne Vorwärmung in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit PEEK umspritzt. Dem Luft- und Raumfahrtunternehmen gefällt besonders, dass endlosfaserverstärkte Hybridspritzgussteile sowohl in halb- als auch in vollautomatischer Serienfertigung hergestellt werden können.

Der Herstellungsprozess lässt sich mit fünf Schritten umreißen: Zunächst werden automatisch die UD-Tapes gelegt und anschließend unter Hitze und Druck zu Organoblechen konsolidiert. Danach werden die Halbzeuge durch Warmpressen umgeformt. Als nächster Schritt schließt sich das Hochgeschwindigkeitsschneiden an. Dank ihrer thermoplastischen Matrix können die Halbzeuge anschließend in Spritzgießformen eingelegt, Inserts, wie zum Beispiel Gewindeeinsätze und Metallverstärkungen, angebracht und mit dem PEEK umspritzt werden. Dabei geht die Matrix der Halbzeuge eine stoffschlüssige Verbindung mit dem angespritzten PEEK ein.

4. Kombination von Leichtmetall und Thermoplast

CFK-Composites
Eine anspruchsvolle Prozessführung ist erforderlich, um CFK-Composites mit Leichtmetallteilen zu verschweißen. Erfolge erziele die Airbus-Tochter CTC zusammen mit dem Lehrstuhl für Werkstoffkunde der Technischen Universität Kaiserslautern. - Bild: CTC/WKK

So unglaublich das für manchen klingen mag, dem Lehrstuhl für Werkstoffkunde der TU Kaiserslautern (WKK) ist es gemeinsam mit der CTC und Airbus gelungen, in einem Ultraschall-Schweißprozess Teile aus CFK und Aluminium- beziehungsweise Titanlegierungen miteinander zu verschweißen. Dafür müssen Matrixpolymere aus dem CFK-Bauteil entfernt werden, denn nur dadurch wird es möglich, Leichtmetallkomponenten mit Carbonfasern zu verschweißen.

Die Kombination von Leichtmetall und thermoplastischem CFK lässt es zu, funktional und prozesstechnisch optimale Leichtbaustrukturen zu generieren, wie Florian Staab von der TU Kaiserslautern zusammen mit Johannes Born von der Airbus-Tochter CTC und Professor Frank Balle, der an der TU Kaiserslautern am Lehrstuhl für Werkstoffkunde hybride Werkstoffsysteme erforscht, berichten.

Der Fügevorgang per Ultraschall-Schweißtechnik hat es in sich, da beim Schweißen der Schmelzpunkt der beteiligten Werkstoffe nicht überschritten werden darf. Im Fall der Verbindung von Leichtmetallen, wie Aluminium und Titan, werden also Fügetemperaturen von deutlich weniger als 500 °C benötigt. Für die hybride Verbindung von Aluminium und CFK dürfen die Fügetemperaturen im Bereich von lediglich 350 °C liegen. Die Ultraschallschwingungen schmelzen die thermoplastische Matrix nur lokal auf und zugleich verdrängen die vom Schweißkopf ausgehenden Ultraschallschwingungen den geschmolzenen Kunststoff aus dem Fügebereich. Dank dieser Prozessführung wird es möglich, die Kohlenstoff-Verstärkungsfasern mit dem Metall zu verbinden.

5. Metallteile in Sitzlehnen aus thermoplastischem GFK integrieren

Thierry Renault
Thierry Renault von Faurecia liefert neue Ideen für Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen. - Bild: Faurecia

Ein eindrucksvolles Beispiel stellte Thierry Renault  vor, Manager of Partnerships & Expertise Network bei Faurecia Automotive Composites. Bei der Entwicklung neuer Autositze im Lightweight-Design ging es nicht zuletzt darum, Metallteile der Verstellmechanik in die Seitenflanken der neuen Sitzlehnen aus thermoplastischen GFK zu integrieren. Schrauben, Nieten und Kleben schieden aus unterschiedlichen Gründen aus.

Immerhin muss die Kunststoff-Metall-Hybridstruktur Kräften in der Größenordnung von 2 500 Newtonmeter standhalten. Die Lösung besteht im Anschweißen von Stahlstiften im Cold-Metal-Transfer-Verfahren, welche die Verankerung des Stahlteils auf dem thermoplastischen ‚Organoblech‘ ermöglichen, also auf einem faserverstärkten Halbzeug mit thermoplastischer Matrix. Die mithilfe des CMT-Verfahrens gesetzten Metallstifte erhalten beim Schweißen kugelförmige Spitzen, und werden damit formschlüssig in den Kunststoff eingebettet. Danach erhält die Basisstruktur sogar im Spritzgießverfahren Verrippungen zur Erhöhung der Festigkeit.