Drücken Sie beim Laminieren der Kohlefaserplatte gleichmäßig.

Eine ungleichmäßige Druckverteilung beeinflusst den Harzfluss und die Faservernetzung

Wenn beim Laminieren von Kohlenstofffasern kein gleichmäßiger Druck ausgeübt wird, leiden sowohl der Harzfluss als auch die Faservernetzung. Dieses Problem ist eigentlich recht einfach zu verstehen: Harz neigt dazu, in Bereiche mit geringerem Druck zu fließen; dies bedeutet, dass einige Bereiche „harzarm“ werden, während andere übermäßig mit Harz gesättigt sind. Es entstehen freiliegende Faserstellen (sog. Trockenstellen), während in anderen Bereichen zu viel Harz eindringt. Der gesamte Prozess gerät durch eine ungleichmäßige Faserverdichtung aus dem Gleichgewicht, wodurch die Bindung zwischen den Schichten sowie die strukturelle Integrität oder Festigkeit des Bauteils beeinträchtigt wird. Branchendaten zeigen, dass bereits ein ungleichmäßiger Druckunterschied von lediglich 15 % über ein Laminat hinweg die Zugfestigkeit um bis zu 30 % verringern kann. Eine ausgewogene Druckausübung ist daher von entscheidender Bedeutung, um einen gleichmäßigen Harzfluss über die gesamte Faserfläche zu gewährleisten; dies ermöglicht wiederum eine ordnungsgemäße Aushärtung der Harzmatrix und steigert so Festigkeit und Haltbarkeit der fertigen Komponenten.

Hohlräume, trockene Stellen und ungleichmäßige Dicke, verursacht durch Druckgradienten.

Während der Fertigung führen Druckgradienten zu erheblichen Qualitätsproblemen. In Bereichen mit niedrigem Druck bilden sich tendenziell Luftpockets, wodurch die Anzahl der Hohlräume im Verbundwerkstoff steigt. Laut einer Veröffentlichung von „Composites Today“ aus dem Jahr 2023 kann eine Druckänderung um 5 % die Anzahl der Hohlräume um 7–12 % erhöhen. Wenn nicht genügend Harz eine Stelle in der Form füllen kann, treten insbesondere an Kanten – wo der Druck geringer ist – trockene Stellen auf. Einige Bereiche werden zusammengedrückt, während andere dicker werden; trockene Stellen entstehen. Materialinkonsistenzen führen zu ungleichmäßiger Spannungsverteilung und beschleunigtem Materialverschleiß. Die Untersuchung hydraulischer Druckverteilungskarten zeigt zudem, dass es ebenfalls wichtig ist zu beachten: Sobald die Druckdifferenzen 10 % überschreiten, liegt die zulässige Dickenvariation nicht mehr im akzeptablen Bereich.

Druckformen und zuverlässige Laminierung von Kohlefaserplatten

Einfluss des Formmaterials auf die Wärmeausdehnung und den Druckverlust

Die Wahl des Formmaterials beeinflusst direkt die thermische Stabilität und den Druck während der Verarbeitung von Schaumharz. Stahlformen bieten Steifigkeit, d. h., sie widerstehen dimensionsbezogenen Veränderungen während der thermischen Aushärtung des Schaumharzes; weist jedoch die Differenz in der Wärmeausdehnung zwischen Form und Gussstück einen signifikanten Wert auf, so werden innere Spannungen oberhalb von 8 Mikrometer pro Meter pro Grad Celsius problematisch. Umgekehrt bieten Silikonformen ein weicheres, flexibleres Material, das der Wärmeausdehnung entgegenwirkt; allerdings tritt bei Silikonformen nach wiederholten Harzverarbeitungszyklen häufig ein Druckverlust von 15 % auf. Zudem führen innere Druckreste unter flexiblen Formen zu einer verringerten Funktionalität und geringerer Druckhaltung, was bedeutet, dass stützende Strukturen erforderlich sind. Hersteller setzen zunehmend komplexere Konfigurationen ein, darunter die Steifigkeit von Dehnungselementen in flexiblen Zonen, um eine besser nutzbare Kombination aus Festigkeit und Biegsamkeit zu erreichen.

Dies trägt dazu bei, Stabilität und ständige Anpassungen an anspruchsvolle geometrische Anforderungen auszubalancieren.

Die Gestaltung der Hohlraumgeometrie umfasst die Abrundung der Kanten, die Platzierung der Entlüftungsöffnungen und die hydraulische Dämpfung.

Die Gestaltung des Hohlraums ist äußerst wichtig, um die Druckdifferenzen zu verringern, die bei der Verarbeitung bestimmter Kohlenstofffasermatten auftreten. Wenn die Kanten des Hohlraums zwischen 15 und 25 Grad abgeschrägt sind, wird ein Harzstau an den Kanten der Bauteile vermieden und die Dickevariation auf maximal 0,1 mm begrenzt. Daher ist auch die Position der Entlüftungskanäle in Bezug auf die Region, in der die Geometrie des Hohlraums einer starken Änderung unterliegt, von Bedeutung. Diese Entlüftungskanäle helfen, während des Prozesses im Hohlraum eingeschlossene Luft zu entfernen und reduzieren so das Auftreten von Luftporen im Vergleich zu Formen ohne adäquate Entlüftung um 40 %. Auch das hydraulische Dämpfungssystem erweist sich als wirksam. Bei diesen Systemen handelt es sich um Blasen, die hinter der Formoberfläche angeordnet und mit Flüssigkeit gefüllt sind. Diese Blasen regulieren den Druck eigenständig. Diese selbstregulierende Eigenschaft der Blasen gleicht Bereiche aus, in denen das Material dicker oder dünner als erwartet ist. Das Ergebnis ist ein gleichmäßiger Druck über die gesamte Laminatschicht – eine Voraussetzung für die Herstellung hochwertiger Komponenten in der Luft- und Raumfahrtindustrie, bei der die Porosität weniger als 0,5 % betragen muss.

Kalibrierte, Echtzeit-Überwachung zur automatisierten Druckanpassung während der Laminierung von Kohlenstofffasern

Einsatz eingebetteter Sensoren zusammen mit der Infrarot-Thermografie

Laminiersysteme ohne Autoklav (NALMS) nutzen hochmoderne, echtzeitfähige Druckausgleichstechnologie, um eine gleichmäßige, hochwertige Laminierung von Kohlenstofffasern (CFS) zu erreichen. Zu diesen Technologien zählen eingebettete piezoelektrische Sensoren, die Druckänderungen ab einer Größenordnung von 0,2 psi erfassen und daraufhin einen hydraulischen oder pneumatischen Korrekturmechanismus aktivieren. Das System arbeitet in Echtzeit. Gleichzeitig erfassen IR-Kameras/Infrarot-Thermometer im Bereich der laminierenden Folien Temperaturen innerhalb einer Toleranz von ±1,5 °C. Warum ist all dies für die Laminierung von Kohlenstofffasern notwendig? Untersuchungen haben gezeigt, dass Temperaturen unterhalb von 1,5 °C die Fließfähigkeit des Laminierharzes verringern und dessen Viskosität drastisch erhöhen (um nahezu zwei Drittel), wodurch das Harz im Hinblick auf die Temperatur der chemischen Mischung möglicherweise vollständig unverarbeitbar wird. Dies führt dazu, dass der betroffene Bereich der laminierenden Folien harzarm wird. Druck und Hohlrumsgehalt stehen innerhalb bestimmter Schwellenbereiche der laminierenden Folien in einem umgekehrten Verhältnis zueinander. Untersuchungen ergaben, dass bei einem Druck der laminierenden Folien unterhalb einer Schwelle von 15 psi (wodurch Lufttaschen/Hohlräume innerhalb der Folien entstehen) der Hohlrumsgehalt in diesen Bereichen um 34 % gegenüber dem Normalwert ansteigt. Druckkalibrierungs- (Oberflächen-)Arrays werden mit fortschreitender Technologie zunehmend leistungsfähiger.

Sie verwenden prädiktive Maschinenlernalgorithmen, um die schrittweise Druckänderung beim Einpressen des Harzes in die Form zu verstehen. Dadurch werden Anpassungsmechanismen ermöglicht, die das Biegen und Verformen der Produkte während der Fertigung erfassen. Ein Beispiel hierfür sind vakuumunterstützte Verfahren. Bestimmte Mechanismen stellen alle halbe Sekunde den Druck in den Blasen neu ein, um das Auftreten trockener Stellen zu vermeiden. Falls solche Stellen auftreten, würde die interlaminaire Scherfestigkeit um 22 % sinken und damit die Struktur beeinträchtigen.

Praktisch: Welche Methoden wären geeignet, um sicherzustellen, dass auf jeder Schicht des Kohlenstofffasermaterials ein gleichmäßiger Druck erreicht wird?

Die Erzielung eines gleichmäßigen Drucks auf jeder Lage ist ein sehr breit gefasstes Konzept. Es können verschiedene Methoden angewandt werden, um eine gleichmäßige Druckverteilung zu erreichen; die erste besteht darin, die Orientierung der Lage zu verändern, wobei einseitig orientierte Lagen in kreuzweisen 0-, 45- und 90-Grad-Orientierungen verwendet werden. Dadurch werden sowohl die Druck- als auch die Zugkräfte ausreichend von den jeweiligen Lagen in den geschichteten Richtungen aufgenommen, wodurch die Spannungen ausgeglichen und ein Zusammenbruch schwacher Stellen im Zielbereich verhindert wird. Bei Anwendung dieser Methode wurde eine Festigkeit gemessen, die 18-mal höher ist als die von Stahl. In Fällen mit besonders komplexen Komponentengeometrien stellt Kohlenstofffasergewebe eine bessere Alternative dar, da es durch die Art seiner Webung mehrrichtungsfähige Fasern bietet. Und während des Harzantrags im Verarbeitungsprozess …

Jede Lage muss mit einer Walze geriffelt werden, um eine vollständige Imprägnierung und vollständige Entfernung von Luft einzustellen.

Halten Sie die Harzviskosität (300–500 cPs) ein, um ein vorhersehbares Fließverhalten zu gewährleisten und trockene Stellen zu vermeiden.

Während des Stapelns ist ein schrittweiser Druckaufbau erforderlich, um eine erneute Harzverteilung oder Harzmangel zu verhindern.

Bei der Herstellung von Verbundbauteilen ist das Vakuumbeutelverfahren nach wie vor eine der effektivsten Methoden, um einen gleichmäßigen Druck über mehrere Lagen zu erzielen, da es die Lagen empirisch verdichtet und Luftpockets entfernt, sobald der Beutel angezogen wird. Wenn ein Hersteller ein druckempfindliches Foliensystem verwendet, kann er visuell Bereiche wirksamer Druckanwendung identifizieren; Studien haben gezeigt, dass dadurch bis zu 90 % der Luftpockets eliminiert werden. Sobald das Harz ausgehärtet ist, lässt sich das fertige Laminat unter gekreuzten Polarisatoren untersuchen. Dadurch werden das Vorhandensein von überschüssigem Harz sowie Bereiche unzureichender Fasersättigung augenfällig sichtbar, was auf Probleme mit dem während der Fertigung ausgeübten Druck hinweist. In Kombination gewährleisten diese Verfahren hochwertige Bauteile mit konstanter Dicke, genau ausbalanciertem Faser- und Harzgehalt sowie vorhersagbarer, zuverlässiger Leistung unter den Belastungen der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie.

FAQ-Bereich

Warum ist die Anwendung eines gleichmäßigen Drucks bei der Laminierung von Kohlenstofffasern entscheidend?
Ein gleichmäßiger Druck gewährleistet einen konsistenten Harzfluss und eine gleichmäßige Verdichtung der Fasern, was zu einer starken Verbindung und einer erhöhten Festigkeit des Bauteils führt.

Welche Probleme können durch einen ungleichmäßigen Druck im Laminierungsprozess verursacht werden?
Ein ungleichmäßiger Druck kann zur Bildung von Hohlräumen und trockenen Bereichen sowie zu einer inkonsistenten Dicke führen und zudem eine Verringerung der Zugfestigkeit und der strukturellen Integrität bewirken.

Was kann getan werden, um den Druck in den Formen während der Laminierung zu optimieren?
Die Auswahl eines geeigneten Formmaterials, die Kontrolle der thermischen Ausdehnung sowie eine formschonende, angemessen abgestufte Kavitätsgestaltung in Kombination mit einer korrekten Platzierung der Entlüftungsöffnungen tragen hierzu bei.

Welche Methoden können zur Echtzeitüberwachung des Laminierungsprozesses eingesetzt werden?
Zur Echtzeitüberwachung von Druck und Temperatur kommen piezoelektrische Sensoren und Infrarot-Thermografie zum Einsatz.

Welche Methoden können eingesetzt werden, um die Gleichmäßigkeit des Drucks auf die Kohlenstofffasermatten zu maximieren?
Der Einsatz gezahnter Walzen, eine gezielte Steuerung der Harzviskosität, ein stufenweiser Druck während des Schichtaufbaus sowie das Vakuumbeutelverfahren tragen dazu bei.