Faserverbundwerkstoffe

Die Entdeckung und Entwicklung neuer Werkstoffe hat die Menschheit gesellschaftlich, wirtschaftlich oder militärisch schon immer beeinflusst. Bereits in der ersten Hälfte der Mittleren Steinzeit, etwa 40 000 bis 8500 v. Chr. wurden gebrannte Tonfiguren hergestellt. Auch Metalle weisen eine sehr lange Geschichte auf. Die Kupferzeit bezeichnet die Jahre von der Jungsteinzeit bis zur Herstellung von Geräten und Schmuck (5000 bis 3000 v. Chr.), in der die Menschen Herr der Natur geworden sind und die ersten Schritte der Kunst gegangen sind. Auch nach der Kupferzeit wurden die Zeitalter nach Metallen benannt. Die Bronzezeit, nach einer zufällig entdeckten Legierung benannt, erstreckte sich von 3000 bis 1000 v. Chr. und die Eisenzeit von 1000 v. Chr. bis heute. Die Ver- und Bearbeitung von Werkstoffen ermöglichte die Weiterentwicklung der intrinsischen Vorstellungskraft der Menschheit. Ideen konnten in die physische, greifbare Welt übertragen werden.

Prepregs haben auf die technologische Entwicklung von Hochleistungsfaserverbundbauteilen in den letzten 70 Jahren einen erheblichen Einfluss ausgeübt. Diese Materialien sind inzwischen weltweit verbreitet und werden für die Herstellung von Composite-Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt wie auch für Hochgeschwindigkeitszüge, Automobile und Schiffe eingesetzt. Mehr als die Hälfte der weltweit hergestellten Kohlenstofffasern werden zur Herstellung von Prepregs verwendet [1].

Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Entwicklungsgeschichte der Prepregs. Die beiden gegenwärtig am häufigsten eingesetzten Herstellungsverfahren für Prepreg-Materialien und darüber hinaus unterschiedliche Prepreg-Varianten werden erläutert.

In diesem Kapitel sollen verschiedene Technologien zur Verarbeitung von Prepregs und der Verarbeitungsschritt vom Prepreg-Halbzeug zum Prepreg-Bauteil vorgestellt werden. Dazu werden manuelle und automatisierte Ablegeverfahren sowie Techniken zum Zuschneiden und Umformen von Prepreg-Materialien vorgestellt.

In Kapitel 4 wurden die geeigneten Technologien zur Formgebung der Prepregs vorgestellt. Anschließend folgt der Prozess der Aushärtung (Thermosets) bzw. Konsolidierung (Thermoplaste) im Autoklaven oder mittels autoklavfreiem Verfahren (Out-of-Autoclave-Verfahren). Die Aushärtung eines Thermoset-Prepregs erfolgt durch chemische Reaktionen und führt zur endgültigen Vernetzung des Matrix-systems. Die für die chemische Vernetzung erforderliche Energie kann durch unterschiedliche Arten eingebracht werden, wie z. B. Wärme, elektromagnetische Wellen oder Elektronenstrahlung. Bei der finalen Formgebung von thermoplastischen Prepregs findet hingegen keine chemische Vernetzungsreaktion statt, sondern es erfolgt nur eine Konsolidierung unter Temperatur.

In diesem Kapitel wird beschrieben, welche Werkzeuge (engl.: toolings) und Konzepte zur Formgebung und Aushärtung von Prepregs eingesetzt werden. Einige Konzepte werden beispielhaft erläutert, um die Unterschiede in den Anforderungen aufzuzeigen.

Da Faserverbundkunststoffe (FVK) als anisotrope Materialien ein sehr komplexes Werkstoffverhalten aufweisen, ist deren simulative Beschreibung für die Bauteilauslegung auch hochkomplex. Ebenso sind in dieser Werkstoffklasse im Vergleich zu den konventionellen Prüfungen von Standardkunststoffen spezielle Testverfahren nötig.

In diesem Kapitel werden verschiedene Konzepte zu Bauweisen beschrieben, mit denen Prepreg-Materialien zu einem Bauteil oder einer Baugruppe verarbeitet werden können. Das Bauweisen-Konzept hat weitreichende Konsequenzen für den weiteren Prozessablauf und die spätere Montage des Bauteils, da Bauweise, materialspezifische Eigenschaften, Bauteildesign, Prozess etc. in Wechselwirkung zueinander stehen.

Um Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe in Zukunft preislich konkurrenzfähiger gegenüber metallischen Werkstoffen zu machen und auf einem breiteren Markt einzuführen, ist ein ganzheitlicheres Denken entlang der gesamten Prozesskette zur Herstellung von Faserverbundbauteilen erforderlich. Diese Betrachtungsweise muss schon beim Design von Matrix, Textilien und Bauteilgeometrie beginnen und sich bei der Automatisierung von heute noch manuellen Prozessen bei der Verarbeitung und Montage fortsetzen. Das bedeutet, dass die Leistungsfähigkeit des Materials, die Prozessanforderungen, die Herstellung und die Funktionalitäten des Bauteils als eine Einheit verstanden werden müssen. Dieses schließt auch ökoeffiziente Recyclingtechnologien mit ein, um den unnötigen Einsatz von teuren Rohstoffen bzw. das Anfallen von Produktionsresten zu minimieren. Es ist zu erwarten, dass diese Themenlandschaft von Forschung und Industrie in den nächsten fünf bis zehn Jahren deutlich vorangetrieben werden wird. Hier existieren bereits erste erfolgreiche Ansätze zum Einsatz von recyklierten Kohlenstofffasern für neue Anwendungen und Bauteile. In Bild 9.1 sind Sandwich-Bauteilmuster gezeigt, deren Deckschichten aus Kohlefaser-Vliesen mit Recyklatfasern bestehen. Anwendungen sind Verkleidungsbauteile im Automobil- und Eisenbahnbau oder in der Luftfahrt wie z. B. Klappen für Gepäckablagefächer im Flugzeug.