Kalt härten mit VIS und UV-A: Glasfaserverstärkte Leichtbaukomponenten ressourcenschonend herstellen
In den Branchen Mobilität, Transport und Bauwesen werden seit einigen
Jahren immer häufiger Leichtbaukomponenten eingesetzt, um Betriebskosten
zu senken und Energieaufwände zu reduzieren. Der Bedarf an großflächigen
Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) wächst daher ständig.
Konventionelle FVK erreichen ihre Endfestigkeit durch energieintensive
Wärmezufuhr. Hier setzt das Projekt »C³ – ColdCureComposites« unter
Leitung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen
an. Ergebnis aus dem Projekt ist eine neue Produktionsanlage für ein
kalthärtendes Faserverbundhalbzeug, die den Produktionsprozess
beschleunigt und gleichzeitig Energie und Ressourcen einspart.
Sie besitzen ein hohes Potenzial für den Leichtbau, elektrische
Isolationseigenschaften und sind besonders korrosionsbeständig:
Faserverbundkunststoffe werden in vielen Industrien eingesetzt. Oft
handelt es sich um glasfaserverstärkte Duroplaste, aus denen zum Beispiel
Windradflügel, Rümpfe für Sportboote, Antennen-, Laternen- und
Oberleitungsmasten sowie Rohrsysteme hergestellt werden. Obwohl sie
vielfältig einsetzbar sind, haben duroplastische Kunststoffe allerdings
einige Nachteile bei der Verarbeitung.
C³ – ColdCureComposites: Gemeinsam forschen für effizientere FVK-
Produktion
Zusammen mit den Projektpartnern entwickelt das Aachener Fraunhofer IPT im
Projekt »C³ – ColdCureComposites« eine Produktionsanlage und die
dazugehörigen Fertigungsprozesse, um ein neues, kalthärtendes
Faserverbundhalbzeug aus Glasfasern herzustellen und weiterzuverarbeiten.
Sogenannte GFK-Towpregs, also vorimprägnierte Glasfaserbündel, können
durch verschiedene Lege- oder Wickelverfahren zur Herstellung von
Leichtbaustrukturen verwendet werden.
Das Konsortium von »C³ – ColdCureComposites« bildet die gesamte
Wertschöpfungskette für die Herstellung und Qualifizierung des neuen
Materials ab. Das Fraunhofer IPT und die beteiligten Unternehmen bündeln
ihre Expertise, um strahlenhärtende Kunststoffe herzustellen, individuelle
Bestrahlungsmodule und Produktionsanlagen auszulegen und zu fertigen sowie
FVK-Bauteile in unterschiedlichen Produktionsverfahren herzustellen.
Darüber hinaus prüfen und qualifizieren sie die Prozesse, Materialien und
Bauteile. Die Anlage, die im Projekt entstanden ist, ist einfach
skalierbar und kostengünstig in Betrieb zu nehmen. Damit ermöglicht sie
eine ressourcenschonende Produktion von GFK-Towpregs in größerem Maßstab.
Energieeinsparungen durch kalthärtende Harze
Bauteile aus konventionellen duroplastischen FVK müssen in großen
beheizten Druckkammern, sogenannten Autoklaven, ausgehärtet werden, um
optimale mechanische Eigenschaften zu erzielen. In der Produktion von
Leichtbaukomponenten ist dies zeitaufwändig und verursacht hohe Kosten.
Als Alternative zu konventionellen FVK, die ihre Endfestigkeit mittels
Wärmezufuhr erreichen, setzen die Projektpartner auf strahlenhärtende
Harze, die bei Raumtemperatur aushärten.
Durch eine kurzzeitige Bestrahlung mit Licht im sichtbaren (VIS) oder
UV-A-Spektrum mit hoher Energiedichte und geeigneter Wellenlänge härtet
das Material aus – der Energieaufwand und die Kosten reduzieren sich
erheblich, der Prozess ist einfach zu regeln. Bereits die einfache
Integration von UV-LEDs kann die Effizienz bestehender
Herstellungsprozesse deutlich verbessern und eignet sich auch für das
Nachrüsten bereits vorhandener automatisierter Produktionsanlagen.
Weiterer Vorteil: Neues Halbzeug ist ungekühlt lagerfähig
Einen weiteren entscheidenden Vorteil gegenüber konventionellen FVK-
Halbzeugen mit Duroplastmatrix identifizierten die Forscherinnen und
Forscher: Duroplastische Halbzeuge müssen bei bis zu -18 °C gekühlt
gelagert werden, um ein vorzeitiges Vernetzen und Aushärten des Materials
zu verhindern. Das Halbzeug aus dem neuen Material muss stattdessen
lichtgeschützt lagern, erfordert aber keine ständige energieintensive
Kühlung. Durch die Verwendung lichtundurchlässiger Trägerfolien bei der
Herstellung der kalthärtenden GFK-Towpregs erreichen die Projektpartner
von »C³ – ColdCureComposites«, dass die Halbzeuge vor Gebrauch weniger
aufwändig gelagert werden können.
Wie gut es funktioniert, zeigen industrierelevante Demonstratorbauteile
Die Forscherinnen und Forscher untersuchen die Materialeigenschaften des
neuen Halbzeugs mithilfe mechanischer Prüfungen. Darüber hinaus erproben
sie im Legeverfahren, wie gut sich das neue Material weiterverarbeiten
lässt. Ein weiterer großer Schritt ist es, das entwickelte Material in
industriellen Testanwendungen einzusetzen und zu validieren. Das
hergestellte vorimprägnierte Faserverbundhalbzeug verwenden sie in
verschiedenen Demo-Bauteilen wie Platten und Rohren. Das Aushärten der
Towpregs geschieht, ähnlich wie bei Thermoplast-Tapes, direkt während der
Verarbeitung. Die Zykluszeiten verkürzen sich damit deutlich und die
Produktionskosten sinken.
Um zu gewährleisten, dass die strahlenhärtenden Towpregs und das
Matrixmaterial nach Projektende industriell vielfältig eingesetzt werden
können, evaluieren die Partner unterschiedliche Verarbeitungsmethoden, zum
Beispiel das automatisierte Tapelegen und Tapewickeln sowie den manuellen
Laminataufbau in offenen Werkzeugformen.
Zum Projekt »C³ – ColdCureComposites«
Das Projekt »C³ – ColdCureComposites« wird durch Mittel des Europäischen
Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert. Es läuft unter
dem Förderkennzeichen EFRE-0801148 von November 2019 bis Oktober 2022.
Beteiligte Forschungseinrichtungen und Industriepartner
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen –
Konsortialführung, Spezifikation der geplanten Arbeiten,
Prozessentwicklung
- Boldt & Co. Vertriebs OHG, Wermelskirchen – Systempartner für die
Harzentwicklung
- Gluetec Industrieklebstoffe GmbH & Co. KG, Greußenheim (Bayern) –
Entwicklung und Herstellung von Industrieharzen
- Novacom Verstärkte Kunststoffe GmbH, Aachen – Demonstration und
Validierung
- Polyscale GmbH & Co. KG, Aachen – Systementwicklung zur Verarbeitung des
UV-härtenden Towpregs
