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Weiterentwicklung der Vorbereitung und des Layup-Verfahrens für Kohlefaserrollen
Präzises Layup: Abwickeln, Schneiden und Ausrichten von Kohlefaserrollen
Die korrekte Durchführung des Abwickelprozesses ist entscheidend für den Erfolg des gesamten Systems. Spannungsregulierte Systeme tragen dazu bei, Verformungen und Beschädigungen der Fasern während ihres Transports durch die Maschine zu verhindern. Bei der Zuschneidung ermöglicht das Ultraschallschneiden – im Gegensatz zum Scheren- oder Messerschneiden – die Herstellung sauberer, ausfransungsfreier Schnittkanten ohne thermische Schäden. Laser-Leitvorrichtungen gewährleisten die Ausrichtung einzelner Fasern mit einer maximalen Abweichung von 0,5 Grad. Warum ist dies wichtig? In der jüngsten Ausgabe des Fachjournals „Composites Journal“ stellten die Forscher fest, dass bereits eine Fehlausrichtung um nur einen Grad zu einem Rückgang der Zugfestigkeit um 7 % führt. Bei Laminaten mit komplexer Geometrie, wie beispielsweise einer 3D-Kontur, übernehmen spezielle Roboter die Aufbringung des Klebstoffs so, dass die Schichtausrichtung während des Transfers auf die nächste Arbeitsfläche erhalten bleibt. Weitere zu steuernde Faktoren umfassen die statische Entladungskontrolle der Anlagen, um zu verhindern, dass Fasern in die Luft gelangen, sowie die Regelung der relativen Luftfeuchtigkeit auf unter vierzig Prozent, um eine vorzeitige Feuchtigkeitsaufnahme der Harze zu vermeiden.
Die Arbeiter prüfen das hinterleuchtete Gewebemuster auf Konsistenz, bevor irgendwelche Materialien in die Formen gegossen werden.
Abschätzung von Nassverlegung (WET Lay-Up) vs. Prepreg vs. RTM: Abstimmung der Technik auf die Carbon-Faser-Rollform und den Produktionsumfang
Die beste Methode der Verdichtung variiert je nach den Kriterien Leistung, Stückzahl und Kosten.
Erfordert eine Aushärtung im Autoklaven
Beim Nasslaminierverfahren wird Harz manuell auf trockene Kohlenstofffasermatten aufgetragen; dies macht das Verfahren besonders geeignet für Bauteile mit komplexen Geometrien. Die Produktionsmenge ist jedoch in der Regel gering. Die durchschnittlichen Werkzeugkosten für dieses Verfahren liegen typischerweise um 80 % unter den Kosten für RTM-Verfahren. Präpregs bieten gegenüber dem Nasslaminierverfahren deutliche Vorteile, da die fertigen Bauteile eine höhere Konsistenz sowie insgesamt bessere mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Konsistenz resultiert daraus, dass das Harz bereits während der Herstellung der Präpregs in die Fasern eingetränkt wird. Die Herstellung von Präpregs erfordert jedoch eine spezielle Kühlung bei Lagerung und auch während des gesamten Verarbeitungsprozesses eine besondere – und zudem relativ aufwändige – Handhabung. Dennoch stehen die Hersteller beim RTM-Verfahren ebenfalls vor einer hohen Komplexität: Dabei werden Polymere unter Druck durch trockene Fasern (also nicht vorgefettete Fasern) innerhalb der geschlossenen Formgeometrie gepresst; dies führt zu einem übermäßig hohen Gehalt an Luftporen und einer extrem geringen Konsistenz der harzgetränkten Fasern über mehrere Produktionschargen hinweg. Dies bedeutet, dass nach den Formen einer der größten limitierenden Faktoren die Investition von mehr als einer halben Million US-Dollar in die Beschaffung kompletter Formensätze darstellt. Gerade diese hohe Investitionsschwelle sorgt dafür, dass die meisten kleineren Betriebe RTM vermeiden und stattdessen Verfahren mit geringerer Komplexität einsetzen.
Auswahl von Harzsystemen und Optimierung der Aushärtung für die Integration von Kohlenstofffaserrollen
Warum Epoxidharze der Goldstandard für die Verarbeitung struktureller Kohlenstofffaserrollen sind
Unübertroffene Haftfestigkeit, thermische Stabilität und Prozesskontrolle machen Epoxidharze zum Goldstandard für strukturelle Anwendungen mit Kohlenstofffaserrollen.
Interlaminare Scherfestigkeit:
- entscheidend für tragfähige Laminatschichten; übersteigt 65 MPa.
- Einsatztemperaturbereich für Luft- und Raumfahrt sowie Hochleistungsautomobilanwendungen bis zu 180 °C (356 °F).
- gestufte Aushärtungszyklen tragen zur Reduzierung von Restspannungen und Mikrorissen bei.
Gravimetrische Analysen haben gezeigt, dass die Aufrechterhaltung eines Harz-zu-Faser-Verhältnisses von 35–40 Gew.-% dazu beiträgt, den Porengehalt unter 2 % zu halten und die Anforderungen der ASTM D3039-Zugprüfung zu erfüllen. Überlegungen zu Kosten, Aushärtezeit und Kompatibilität von Kohlenstofffaserrollen im Vergleich zu Polyester- und Vinyl-Ester-Alternativen
Während Epoxidharz den höchsten Standard bietet, erzielen Wettbewerber die größten Margen entweder hinsichtlich der Kosten oder der Produktionsgeschwindigkeit:
Harztyp | Kosten im Vergleich zu Epoxidharz | Maximale Einsatztemperatur | Verträglichkeit mit Kohlenstofffasermatten
Polyester | 60–70 % niedriger | 80 °C (176 °F) | Mäßig – neigt zu osmotischen Blasenbildung
Vinylester | 40–50 % niedriger | 100 °C (212 °F) | Hoch – ausgezeichnete chemische Beständigkeit
Die Raumtemperatur-Aushärtung von Vinylester erfolgt innerhalb von 2–4 Stunden und ist damit deutlich schneller als die 12–15-stündige Aushärtung von Epoxidharz; dies ermöglicht eine schnelle Prototypenerstellung sowie die Fertigung nichttragender Paneele. Der Nachteil einer um 15–20 % geringeren Druckfestigkeit lohnt sich in vielen Fällen mehr als nur ausreichend. Bei vielen Anwendungen – etwa bei Bootsdecks oder Karosseriepaneele für Fahrzeuge – führt die Vermeidung des Druckfestigkeitsverlusts häufig zu Materialeinsparungen von über 25 USD/m², ohne dass die geforderte Funktionalität beeinträchtigt wird.
Formkonstruktion und Werkzeugbau für eine zuverlässige Fertigung von Kohlenstofffasermatten
Anforderungen an Material, Oberflächenfinish und thermische Stabilität für das Rollenformen von Kohlenstofffasern
Die Leistung einer Form hängt von der Zusammenwirkung dreier Faktoren ab – der Festigkeit des Werkstoffs, der Haltbarkeit der Oberfläche und der Temperaturstabilität – und diese drei Faktoren gemeinsam bestimmen die Leistung einer Prototypform. In diesem Zusammenhang kann ein Prototyp aus Werkzeugstahl hergestellt werden, da dieses Material ein günstiges Verhältnis von Kosten zu Leistung bietet. Für längere Serienfertigungen ist es möglich, eine Hartmetallbeschichtung zur strukturellen Verstärkung der Form anzuwenden und dadurch deren Produktionszyklus zu verlängern. Aufgrund ihrer geringen Wärmedehnungszahl eignen sich spezielle Nickellegierungen wie Invar besonders für den Bau von Formen für Luft- und Raumfahrtkomponenten, da sie bei hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen eine strukturell stabile Tragfähigkeit bieten. Diese Eigenschaft der Invar-Legierungen minimiert die thermische Ausdehnung der Form bei den eingestellten Temperaturen und verhindert daher Verzug der Form infolge thermischer und chemischer Reaktionen der Harze mit dem Epoxidharz.
Die Oberflächenbeschaffenheit sollte möglichst spiegelnd sein, idealerweise unter 0,4 µm Ra. Dadurch wird sichergestellt, dass die Fasern während der Verarbeitung nicht hängen bleiben und die Bauteile problemlos aus der Form entnommen werden können, ohne Oberflächendefekte oder Mikrorisse zu hinterlassen. Eine korrekte und strategisch platzierte Kantenentlüftung ist entscheidend, um Luftporen – insbesondere während der exothermen Aushärtung des Harzes – zu vermeiden. Dies ist ebenfalls wichtig, um die Bildung harzgefüllter Faservoids in den Kohlenstoffrollen zu verhindern. Schließlich ist es entscheidend, die Werkzeuge so zu konstruieren, dass sie bei 180 °C dimensionsstabil im Toleranzbereich von −0,1 bis +0,1 mm bleiben. Diese präzise Konstruktion ist für alle seriösen Hersteller von Verbundwerkstoffen unverzichtbar.
Grundlagen der Prozesskontrolle: Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Kohlenstoffrollen
Verfahren zur Vakuumbeutelung, Anwendung von Druckkissen und Entlüftung zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Rollenlaminaten ohne Hohlräume
Der erste Schritt besteht darin, ein Vakuum zu erzeugen. Jede Schicht des Verbundwerkstoffs wird unter einer flexiblen Abdeckung in einer Vakuumfolie platziert, und ein Unterdruck von 25–29 Zoll Quecksilbersäule wird erzeugt, um die Luft aus den Schichten zu entfernen. Der anschließende Schritt mit positivem Druck (14 bis 100 psi – Pfund pro Quadratzoll) dient vorrangig der Verdichtung und verändert das Verhältnis von Faser zu Harz im Verbundwerkstoff, da das Harzvolumen ( {m}_{resin} ) verringert wird. Die Beseitigung von Fehlern – insbesondere von Lufteinschlüssen – ist eine gemeinsame Funktion mehrerer Faktoren. Zunächst wird die Luftabscheidung in den feuchten Harzschichten mittels einer Entlüftungsrolle gestört bzw. aufgebrochen. Anschließend saugen spezielle Gewebeschichten, sogenannte „Breather“ (Entlüftungsschichten), unerwünschtes Harz – meist Epoxidharz – von den Schichten zu vorgesehenen Harzsammelventilen ab. Schließlich ist das System so konfiguriert, dass sogenannte „Bleeder“-Schichten (Absaug- oder Absorptionschichten) das Harz bereits vor dem endgültigen Aushärteprozess aufnehmen, um sicherzustellen, dass möglichst wenig Harz die Schichten oder Lufteinschlüsse kontaminieren kann.
Es ist entscheidend, den Hohlbereichsanteil unter 2 % zu halten. Ein höherer Hohlbereichsanteil verringert die interlaminare Scherfestigkeit um über 35 %. Der Einsatz von Drucküberwachungs- und automatischen Leckageerkennungssystemen verbessert die Zuverlässigkeit und Gleichmäßigkeit der Konsolidierung der Kohlenstofffaserverbund-Laminatschichten, insbesondere in dicken oder unregelmäßigen Bereichen.
FAQ-Bereich
Welche Vorteile bietet die Verwendung von Kohlenstofffaserrollen?
Dank ihrer unübertroffenen Festigkeit und Stabilität ermöglicht die Herstellung mittels Rollen komplexe Formen und eine präzise Ausrichtung.
Was sind die Vorteile des Nasslegeverfahrens?
Das Nasslegeverfahren eignet sich hervorragend für Prototypen und komplizierte Formen, ist jedoch für die Massenfertigung weniger geeignet als das RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding) und Vorimprägnierverfahren (Prepreg).
Warum wird Epoxidharz in Verbundwerkstoffen verwendet?
Epoxidharz ist die beste Wahl aufgrund seiner Haftfestigkeit, Stabilität und interlaminaren Scherfestigkeit im Verhältnis zum Gewicht der Struktur und daher unverzichtbar für Kohlenstofffasern.
Welche Funktion erfüllt das Vakuumbeutelverfahren bei der Herstellung von Kohlenstofffaserverbund-Laminaten?
Die Vakuumbeuteltechnik erzeugt eine Dichtung und Unterdruck, um Luftporen zu entfernen, und ermöglicht es, Laminatstrukturen gleichmäßig und ohne Hohlräume zu formen.