Mit additiv gefertigtem Salzkern zum komplexen CFK-Bauteil

Faserverbundwerkstoffe lassen sich im Autoklav und mithilfe von Formkernen zu komplexen Bauteilen formen. Additiv gefertigte Salzkerne vereinfachen das Verfahren und schonen die Umwelt.

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Die Anforderungen an Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) steigen: Sollten sie die bislang vor allem leicht und belastbar sein, verlangen neue Anwendungen zunehmend auch Teile mit komplexen Geometrien; zum Beispiel in der Luftfahrt: Neben großflächigen und dünnwandigen Bauteilen wie Rumpf oder Flügel bieten hier auch die unzähligen kleinen oder verwinkelten Bauteile erhebliches Potenzial zur Gewichtsminderung, etwa indem man sie aus FVK fertigt.

In der Luft- und Raumfahrt, wie auch in anderen Branchen, ist die Prepregtechnologie eines der meistgenutzten Fertigungsverfahren für FVK-Bauteile. Mehrere Lagen harzgetränkter Faserhalbzeuge – die sogenannten Prepregs – werden dabei in einer Bauteilform gestapelt, mit einer Folie abgedeckt, vakuumiert und anschließend um Ofen ausgehärtet, wie in Michael Küblers Dubbel-Kapitel Kunststoffe nachzulesen ist. Airbus, beispielsweise, setzt für den Lamitaufbau von Flügelschalen oder Seitenleitwerken das automatisierte Tapelegeverfahren (Automated Tape Laying, ATL) oder, für komplexere Geometrien, das Automated Fiber Placement (AFP) ein und härtet die Bauteile anschließend bei 180 °C und 10 bar Überdruck im Autoklav aus, wie die Autoren um Berend Denkena im Kapitel Schalenförmige Hybridverbunde und Inserts des Buchs Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen schreiben.

Komplexe CFK-Bauteile aus dem Autoklaven

Durch die Aushärtung im Autoklaven lassen sich dabei nicht nur flächige Bauteile mit höchsten Faservolumengehalten und entsprechend hoher Laminatqualität fertigen, der Druckofen ermöglicht zudem die Fertigung von FVK-Bauteilen mit komplexen innen liegenden Strukturen. Dafür werden die Prepregs um einen Formkern gewickelt, der innere Strukturen wie Hinterschneidungen im Bauteil ausbildet. Anschließend wird das Prepreg mehrere Stunden unter hohem Druck und Temperatur ausgehärtet, bevor die Formkerne zerstört und aus dem fertigen Bauteil entfernt werden.

Dieses Prinzip der verlorenen Kerne ist aus der Gießtechnik bekannt. Die Kerne, die in der Regel aus Quarzsand und zu einem kleineren Teil aus Bindemittel und Zusätzen bestehen, werden nach dem Abguss aus dem Gussteil herausgeschlagen, wie Rüdiger Bähr im Dubbel-Kapitel Urformen erläutert. Für Faserverbundwerkstoffe kommt dieses mechanische Herauslösen der Kerne jedoch kaum in Frage, da es die auch FVK-Struktur selbst beschädigen könnte. Besser geeignet sind deswegen Formkerne, die sich ausschmelzen oder auslösen lassen.

Salzkern additiv gefertigt

Allerdings weisen auch diese Formkerne spezifische Nachteile auf. So erfordern ausschmelzbare Kerne oftmals teure und temperaturbeständige CFK-Hochleistungswerkstoffe, während lösliche Formkerne, etwa aus Kunststoffschaum, umweltschädlich sind, sofern die Lösemittel aus Basen oder Säuren bestehen. Infrage kommen zudem noch gipsartige Materialien, die zwar wasserlöslich, aber auch aufwendig herzustellen sind.

Einen neuen Typ von Formkernen für CFK-Strukturen, der sowohl wasserlöslich als auch einfach zu fertigen ist, stellen Daniel Petzold und Jan Kemnitzer im Beitrag Additive Fertigung wasserlöslicher Formkerne für die CFK-Bauteilproduktion in der Zeitschrift maschinenbau 2/21 vor. Als Grundmaterial verwenden die Wissenschaftler Salz. Das Mineral hält sowohl den erforderlichen Temperaturen von bis zu 120 °C als auch Drücken von bis zu 6 bar über eine Dauer von 5 h stand. Die Formkerne fertigen die Wissenschaftler von der Universität Bayreuth und dem Fraunhofer IPA im Pulver-Binder-Verfahren, einem Verfahren der additiven Fertigung. Dabei trägt ein Druckkopf einen Binder ins Salzpulverbett ein, wodurch Schicht für Schicht die dreidimensionale Struktur des Formkerns entsteht. Nach der Trocknung im Ofen werden die Formkerne entweder mit einem Teflontape oder mit einer Kombination aus flüssigem Versiegler und Trennmittel gegen das Eindringen von Matrixmaterial geschützt.

Prozesszeit verkürzt

Nachdem das CFK-Bauteil gefertigt und ausgehärtet ist, kann der Salzkern innerhalb von wenigen Minuten mit Wasser aus dem Bauteil ausgelöst werden. Die Wissenschaftler haben den Fertigungsprozess anhand verschiedener Prepreg- und Wickelverfahren mit Autoklavaushärtung validiert, unter anderem am Beispiel eines luftfahrttypischen Lüftungskanals, und dabei die Prozesszeit gegenüber etablierten Verfahren nach eigenen Angaben erheblich reduziert. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sehen die Autoren im Bereich der Harzinjektions- und Infusionsverfahren oder für die Herstellung größerer Bauteile, wofür mehrere Formkerne zusammengefügt werden könnten.