Das Wehrwissenschaftliche Institut für Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB) forscht derzeit intensiv an klebtechnischen Reparaturverfahren, die auf Fräsprozessen basieren.
WIWeB Erding
Schneller, sparsamer, größer: Überall dort, wo Massen bewegt werden, steigt der Einsatz faserverstärkter Kunststoffe. Unverzichtbar sind in diesem Kontext wirtschaftliche und zuverlässige Reparaturkonzepte.
Jens Holtmannspötter und Kollegen vom Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB) stellen in der Zeitschrift „adhäsion“ die Weiterentwicklung einer klebtechnischen Reparaturmethode vor. Sie wurde für den Einsatz in der Luftfahrtindustrie erarbeitet, um beschädigte Bauteile aus Faserverbundkunststoffen (FVK) schnell und trotzdem zuverlässig reparieren zu können.
Substitution „klassischer“ Werkstoffe
Die verschiedensten Industrien verwenden immer häufiger neue Materialien und Konstruktionsweisen, um „klassische“ Werkstoffe wie Stahl und Leichtmetall durch Faserverbundkunststoffe zu substituieren. Ziel ist, das Gewicht zu reduzieren und somit Energie einzusparen. So steigt zum Beispiel im Flugzeugbau der Anteil der Faserverbundkunststoffe (FVK) an der Strukturmasse deutlich an. Die Gründe liegen in ihren hohen Festigkeiten bei geringem Gewicht, ihrem guten Ermüdungsverhalten und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie Korrosion.
Schnell, aber sicher
Im Betrieb von Leichtbaustrukturen aus FVK kommt es zwangsläufig zu Beschädigungen. Sie entstehen in der Luftfahrt durch Überlasten, Materialermüdung, Blitz- oder Vogelschläge und Kollisionen jeglicher Art am Boden. Durch die integralen Bauweisen ist ein Austausch von Teilstrukturen oftmals unmöglich oder unwirtschaftlich. Angestrebt wird eine Reparatur, die in kurzer Zeit die strukturelle Integrität dauerhaft wiederherstellt. Dabei darf das Gewicht nur wenig steigen.
Stand der Technik
Die Reparatur faserverstärkter Werkstoffe erfolgt unter Verwendung geeigneter Klebstoffe. Dazu muss das zu reparierende Material zunächst geschäftet werden. Dadurch vergrößert sich die Klebfläche um ein Vielfaches – Voraussetzung dafür, dass die Ausgangsfestigkeit annähernd wieder erreicht werden kann. Nach dem heutigen Stand der Technik werden zur Reparaturstellenvorbereitung Schleifprozesse eingesetzt. Um die beschädigte Stelle wird z.B. mit einem rotierenden Druckluftschleifer das Material in Form der gewünschten Schäftung abgetragen. Dabei wird sowohl trocken als auch nass geschliffen. Auch die Schleifmittel sind nicht einheitlich. Sowohl Schleifvliese als auch Schleifpapiere kommen zum Einsatz. Der Prozess zum Materialabtrag dient in der Regel auch als Oberflächenvorbehandlung für das Kleben.
Die bewährten Schleifverfahren sind allerdings zeitintensiv und in ihrem Ergebnis sehr stark von dem Können des Durchführenden abhängig.
Schlechte Faser-Matrix-Haftung
Hinzu kommt, dass die Oberflächen wegen schlechter Faser-Matrix-Haftung durch das Schleifen schnell verschmieren. Durch zu hohe Drücke und Scherkräfte auf den Oberflächen kommt es zu Ablösungen von Fasern, die eine lasttragende Verbindung verhindern. Schleifen ist somit ein problematischer Prozess, der sich zudem nur schwer automatisieren lässt.
Forschungsansätze
In aktuellen Forschungsvorhaben wird deshalb der Einsatz hochenergetischer, gepulster Laser zur Schäftung von Faserverbundwerkstoffen untersucht. So könnte man mit optischen Systemen berührungsfrei das Material entfernen. Allerdings hängt die Wechselwirkung der Laser mit verschiedenen Wellenlängen stark vom Material ab. Auch mit Strahlprozessen und dem Wasserstrahlen lassen sich Schäftungen durchführen. Hier besteht aber das Problem, dass ein Einsatz am Luftfahrzeug durch die Medienexposition kaum realisierbar wäre. Außerdem ist die Präzision des Materialabtrages noch nicht ausreichend.
Automatisierung des Schäftens
Um nun die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der geklebten Reparaturen zu verbessern, werden eine Beschleunigung der Reparaturstellenvorbereitung (des Schäftens) und eine reproduzierbare Vorbehandlung der Oberflächen angestrebt. Dann könnten Reparaturstellen in den Abmessungen reduziert werden. Auch wären neuartige Ansätze zu last- und fasergerechten Schäftungen mit automatisierten Verfahren realisierbar.
Um diese Ziele zu erreichen, beschäftigt sich das WIWeB Erding derzeit intensiv mit Reparaturverfahren, die auf Fräsprozessen basieren.