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21.03.2016 | Werkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

CFK-Bauteile nachhaltig reparieren

Autor:
Christiane Brünglinghaus

Der zunehmende Einsatz von carbonfaserverstärkten Hochleistungskunststoffen erfordert entsprechende Reparaturkonzepte für den Werkstoff. Dazu ist noch viel Entwicklungsarbeit erforderlich.

Verbundwerkstoffe aus vernetzten Polymeren - sogenannten Thermosets - die mit Carbon-, Glas- oder Naturfasern verstärkt sind, haben ein reiches Spektrum an Eigenschaften, das ihre Bedeutung für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, aber auch für die Windkraft, den Schiffs- und Eisenbahnbau oder den Hoch- und Tiefbau enorm wachsen ließ. Doch auch der beste Werkstoff kann geschädigt werden oder Abnutzungserscheinungen zeigen. Die Ingenieure müssen dann entscheiden, ob die defekte Stelle repariert werden kann, oder das gesamte Bauteil ausgetauscht werden muss.

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01.03.2016 | Entwicklung | Ausgabe 3/2016

Entwicklung eines innovativen Reparaturkonzepts für Automobile in CFK-Bauweise

Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) entwickelt gemeinsam mit sechs weiteren Instituten (ika, ISF, IBF, WZL, MMI, FIR) an der RWTH Aachen ein neues Reparaturkonzept für Automobile in CFK-Bauweise. Auf Basis der Herausforderungen für die …


Dabei geht die Industrie bislang unterschiedliche Wege. Eines der etablierten Instandsetzungskonzepte für Fahrzeuge, die einen wesentlichen Anteil an CFK-Bauteilen aufweisen, ist das von Lamborghini genutzte Konzept der sogenannten Flying Doctors für die Reparatur von CFK-Strukturen bei ihren Kunden. Dies sind ausgebildete Fachleute, die speziell für die Schadenserkennung und -bewertung sowie die manuelle Reparatur bestimmter Fahrzeugtypen ausgebildet sind und im Schadensfall zu den Kunden eingeflogen werden. BMW verfolgt im Rahmen seiner i-Modellreihe ein Konzept, bei dem ausgewählte Reparaturzentren benannt werden, die eine Reparatur der CFK-Strukturen durchführen können. Für die Reparatur sind je nach Modell bestimmte Fahrzeugsegmente vordefiniert, die bei einer Beschädigung aus der Struktur herausgetrennt und durch ein baugleiches Segment ersetzt werden.

Der komplette Tausch von Komponenten ist teuer

Neben diesen Strategien - die vor allem teuer sind - stellt im Bereich der Anbauteile der Austausch kompletter Komponenten derzeit die effektivste, wenn zugleich auch kostenintensive Möglichkeit der Schadensbehebung dar. Darauf weisen Christian Hopman, Philipp Nicolas Wagner, Nicolay Bergmann und Arne Böttcher vom Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen in ihrem Artikel Entwicklung eines innovativen Reparaturkonzepts für Automobile in CFK-Bauweise aus der ATZ 3-2016 hin. "Um aber die Instandsetzung großer integraler Strukturen wie die CFK-Karosserie eines Elektrofahrzeugs mit vertretbarem Aufwand und Kosten zu ermöglichen, sind neue Reparaturkonzepte notwendig", so die Autoren weiter.

Ein solches Reparaturkonzept hat das IKV gemeinsam mit sechs weiteren Aachener Universitätsinstituten (ika, ISF, IBF, WZL, MMI, FIR) und 60 Industrieunternehmen entwickelt. Es basiert im Wesentlichen auf neuartigen adaptiven Formwerkzeugen mit modularen Einsätzen zur Ersatzteilherstellung und ist in ein ganzheitliches Konzept zur dezentralen Reparatur eingebunden: Durch die Entwicklung und Vernetzung der verschiedenen Reparaturschritte von der sensorbasierten Detektion von Schadensfällen, der datenbankbasierten Schadensanalyse, der individualisierten Herstellung und von an den Schaden angepassten Ersatzteilen in CFK-Bauweise bis hin zum eigentlichen Reparaturvorgang soll zukünftig eine wirtschaftliche und effiziente Reparatur zukünftiger Fahrzeugkonzepte aus CFK ermöglicht werden, so die Aachener Autoren.

Chemisches Recycling als Reparaturansatz

Auch am Forschungsbereich Polymermaterialien und Composite (PYCO) des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam ist die Reparatur von CFK-Bauteilen ein wichtiges Forschungsthema. Zur diesjährigen Fachmesse JEC World in Paris stellten die Forscher ein schonendes und schnelles Verfahren zum chemischen Recycling vor, das es ermöglicht, hochvernetzte Kunststoffe wieder in ihre Ausgangsbestandteile zu zerlegen. Nach Aussagen von Christian Dreyer, Leiter des Forschungsbereichs, ermöglicht diese Entwicklung neben dem kompletten Recyceln eines Bauteils auch eine lokale Reparatur. Aus der defekten Stelle wird die Harzmatrix schonend entfernt, ohne die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsfaser signifikant zu beeinflussen. Die freiliegenden Fasern werden anschließend mit einem Reparaturharz wieder aufgefüllt und ausgehärtet. Professor Alexander Böker, Leiter des Fraunhofer IAP, erklärt: "Dieses Recyclingverfahren ist für Unternehmen besonders interessant, da das Matrixmaterial auch im industriellen Maßstab recycelt werden kann, um daraus ausreichende Mengen neuer Recycling-Thermosets zu synthetisieren."

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