10.04.2013, 08:59 Uhr | 0 |

Hannover Messe Mehr Tempo und Qualität bei leichtgewichtigen CFK-Werkstoffen

Der Bedarf an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) wird in den nächsten Jahren sprunghaft steigen. Noch aber werden CFK vorwiegend für Kleinserien oder Einzelanfertigungen eingesetzt. Eine Serienproduktion stellt besondere Anforderungen an die Prozesse. Auf der Hannover Messe 2013 werden Lösungen für den Serieneinsatz vorgestellt.

Mehr Tempo und Qualität bei leichtgewichtigen CFK-Werkstoffen
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Leichte CFK-Werkstoffe werden derzeit zwar vorrangig bei Windkraftanlagen eingesetzt, doch ihre Bedeutung wächst vor allem im Automobilbau stark an.

Foto: BMW

Sie machen Autos leichter, ermöglichen immer größere Rotorblätter von Windkraftanlagen und lassen Flugzeuge wirtschaftlicher fliegen: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) erobern wegen ihres geringen Gewichts und der großen Stabilität immer neue Einsatzgebiete. Einen repräsentativen Querschnitt über innovative CFK-Entwicklungen liefern Entwickler auf der Hannover Messe 2013.

Roboter für die Produktion von CFK-Bauteilen hat die Kuka Roboter GmbH aus Augsburg entwickelt. "Die Anforderungen an die Präzision und Wiederholgenauigkeit im Verarbeitungsprozess spielen eine wichtige Rolle", erklärt Rüdiger Sonntag, Key Technology Manager Plastics des Roboterherstellers. "Diesen Anforderungen Rechnung zu tragen, ist die Hauptaufgabe und der besondere Wert der Automatisierung im Bereich der Kunststoffindustrie." Vor allem kürzere Zykluszeiten und eine multifunktionale Einsatzfähigkeit seien gefragt. Industrieroboter, wie sie im Rahmen der Leitmesse Industrial Automation gezeigt würden, könnten Leichtbauteile mit einem Höchstmaß an Qualität und Sicherheit herstellen.

23 % der CFK werden werden für Rotorblätter eingesetzt

Nach Aussage der Deutschen Messe Hannover werden CFK-Werkstoffe in Zukunft vor allem in der Automobilindustrie an Bedeutung gewinnen. Darum setzen sich nach den Erfahrungen der Messegesellschaft immer mehr Zulieferer sowie Maschinen- und Anlagenbauer mit dem Thema auseinander und arbeiten gemeinsam mit den Anwendern an optimierten Verfahren. Denn der globale Bedarf an kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff werde in den nächsten Jahren sprunghaft steigen.

Wurden 2011 etwa 57 000 t CFK nachgefragt, sollen es bis zum Jahr 2020 sogar 200 000 t sein, geht aus Veröffentlichungen von Carbon Composites in Augsburg hervor. In dem Verein haben sich Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen, die die gesamte Wertschöpfungskette der Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe abdecken. Heute wird die größte Menge der weltweiten CFK-Produktion mit 23 % für Rotorblätter in Windkraftanlagen eingesetzt, gefolgt von der Luft- und Raumfahrt (16 %) sowie dem Sport-/Freizeitbereich (16 %).

Der Einsatz im Automobilbau ist mit 6 % noch sehr gering, die Experten von Carbon Composites erwarten aber deutliche Wachstumsraten von jährlich mehr als 15 %. Einer der Gründe: Fahrzeuge müssen immer leichter werden, um den Kraftstoffverbrauch und damit auch den CO2-Ausstoß zu senken. Bei Elektrofahrzeugen lassen sich größere Reichweiten erzielen, wenn sie weniger wiegen.

CFK sind 70 % leichter als Stahl

Rund 70 % weniger Gewicht als Stahl bringen CFK-Werkstoffe auf die Waage – ein Grund, warum sie in den vergangenen Jahrzehnten zunehmend im Flugzeugbau genutzt wurden. Doch für die Automobilindustrie sind die derzeitigen Kosten und Prozesszeiten noch zu hoch: "Die Automobilindustrie erwartet, dass wir bei den Materialkosten in den nächsten drei Jahren 50 % einsparen und bei den Prozesskosten sogar 95 %", sagt Patrick Markert, Leiter der Geschäftsstelle des CFK-Valley Stade, einem europaweit etablierten Kompetenznetzwerk für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.

In dem Netzwerk haben sich mehr als 100 Unternehmen und Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen. "Das wird nur möglich sein, wenn wir Firmen mit Erfahrungen aus dem Flugzeugbau mit Maschinen- und Anlagenbauern zusammenbringen, die Erfahrungen mit der Automobilindustrie haben", so Markert. "Das ist Aufgabe unseres Vereins und wird auch im Mittelpunkt unseres Auftritts auf der Hannover Messe stehen."

Aushärtungszeiten müssen viel kürzer werden

Für das ehrgeizige Ziel muss auch der Anteil der Handarbeit weiter reduziert werden. "Wenn die Flugzeugindustrie noch mit Aushärtungszeiten von sechs Stunden leben kann, dann denken die Automobilbauer eher an sechs Sekunden. Das geht nur mit neuen Verfahren und einer 100 %-Prozessautomation", erklärt Markert.

Eine wirtschaftliche Lösung hat Schuler entwickelt. Das Göppinger Unternehmen bietet Anlagen, mit denen sich Bauteile aus CFK auch für die Großserie wirtschaftlich fertigen lassen. Der Umformtechnikspezialist setzt bei CFK-Teilen auf das RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding), bei dem die zu Matten gewebten Carbonfasern in eine Form gelegt, dann Harz in das Werkzeug injiziert und der Verbundwerkstoff unter Wärme und Druck ausgehärtet werden.

"Hochdruck-RTM-Pressen ermöglichen nicht nur eine kürzere Zykluszeit für komplexe Bauteile mit hohen Anforderungen an Geometrie und Festigkeit, sondern auch eine gleichmäßige, wiederholbar hohe Bauteilqualität und Oberflächengüte", erklärt Produktmanager Raimund Zirn. Sogenannte Voids, das heißt, harzfreie Vakuumporen oder Lücken innerhalb oder am Rand des Bauteils seien nahezu ausgeschlossen. Beim Hochdruck-RTM-Verfahren wird das Harz möglichst schnell und flächendeckend in die nur noch wenige Zehntel Millimeter geöffnete, vakuumisierte Form injiziert. Durch diese Spaltinjektion kann sich das Harz mit wesentlich geringerem Flusswiderstand und somit bei geringerem Injektionsdruck über das Gelege verteilen, bevor die Polymerisation wärmeinduziert startet.

"Durch die Vakuumisierung, die schnelle Harzinjektion, die hohen Harzdrücke und die temperierten Werkzeuge beginnt das Gelieren quasi schon mit der Benetzung der letzten Faser", erklärt Zirn. Zwischen vier und acht Minuten dauert der Aushärteprozess – je dicker das Bauteil, umso länger, weil sich die Reaktionswärme dann nicht mehr so leicht ins Werkzeug abführen lässt. Abhängig vom Bauteil schwanken auch die erforderlichen Harzdrücke zwischen 30 bar und 150 bar. Für großflächige Außenhaut-Bauteile sind bei Spannflächen von 3600 mm x 2400 mm Presskräfte von insgesamt 36 000 kN und mehr erforderlich.

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Von Rolf Müller-Wondorf | Präsentiert von VDI Logo
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