Leichtbauteile schneller und energieeffizienterfertigen

11. März 2016


Beim Konsolidieren von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) verbinden sich Einzelschichten aus Fasern und Kunststoff unter Druck und hoher Temperatur zu einer homogenen Platte. Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das schnell und energieeffizient ist und sich auch für kleinere Stückzahlen sowie Hochtemperaturkunststoffe eignet: Sie bestrahlen CFK unter Vakuum direkt mit Infrarotstrahlung.

 

In heutigen Anlagen zur CFK-Fertigung kommen häufig große, kostenintensive Anlagen zum Einsatz. Sie pressen den aufgeschmolzenen Kunststoff zwischen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff oder Glas. Der Kunststoff wird dabei nur indirekt – über die massiven Presswerkzeuge – erhitzt. Die Werkzeuge müssen bewegt, bei variothermer Prozessführung zyklisch aufgeheizt und wieder abgekühlt werden. Dabei wird prozessabhängig viel Energie und Zeit benötigt. Durch die zum Teil hohen Investitionskosten für Pressen und andere Großanlagen sind kleinere und mittlere Fertigungszahlen häufig nicht rentabel. Doch hierfür gibt es eine Alternative: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal erhitzen CFK direkt unter Vakuum mit Infrarotstrahlung. Die Energie wirkt dort, wo sie gebraucht wird. Sofort. Für die Werkzeugwand fanden die Forscher ein Material, das die Infrarotstrahlung im gewünschten Wellenlängenbereich durchlässt und gleichzeitig fast keine eigene Wärmedehnung aufweist. Üblicherweise dauern Vakuum-basierte variotherme Fertigungsprozesse je nach Dicke des Bauteils zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden. Mit dem Ansatz des ICT geht das unter 60 Sekunden.

 

»Unser Verfahren ist schneller, wirtschaftlicher und energieeffizienter als der aktuelle Stand der Technik«, sagt Sebastian Baumgärtner, Maschinenbauingenieur am baden-württembergischen Institut. Die Verarbeitung im Vakuum schont das Material. Der Kunststoff oxidiert nicht wie in offenen Verfahren. Eingeschlossene Luft und mögliche Abgase werden abgesaugt. Der Prozess läuft sehr stabil und ist einfach zu nutzen. »Um CFK zu erhitzen eignen sich bei unserem Ansatz alle elektromagnetischen Strahlen, also auch Mikrowellenstrahlen«, erklärt Baumgärtner. Die Industrie spart Energie, Kosten, Verbrauchsmaterialien und kann schneller fertigen. Das Verfahren ist sowohl für Groß- als auch für Kleinserien geeignet. »Es profitieren insbesondere kleinere und mittelgroße Unternehmen, die sich keine teure Anlagentechnik leisten wollen«, präzisiert Baumgärtner.

 

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