Carbonherstellungsverfahren mit Prepreg-Material (klassisch)
Bei diesem Verfahren werden sogenannte „Prepregs“ verwendet. Prepregs sind vorgefertigte Halbzeuge, bei denen Carbonfasern bereits mit einer genau dosierten Menge an Harz (meist Epoxidharz, aber auch andere Harzsysteme) vorimprägniert sind. Das Harz befindet sich dabei in einem teilpolymerisierten, noch nicht ausgehärteten Zustand (B-Stage) und ist daher klebrig und flexibel. Die Aushärtung erfolgt später unter Wärme und Druck.
Grundprinzip:
Die trockenen (nicht mehr feuchten) Prepreg-Zuschnitte werden schichtweise in einer Form abgelegt. Anschließend wird die Form unter Hitze und Druck in einem Autoklaven oder Vakuumofen ausgehärtet, wodurch das Harz vollständig polymerisiert und das Bauteil seine endgültige Form und Festigkeit erhält.
Schritte des Verfahrens:
1. Formvorbereitung:
- Die Form, in der das Bauteil hergestellt werden soll, wird sorgfältig gereinigt und mit einem geeigneten Trennmittel (z.B. Wachs, Silikon, PTFE-Sprays) behandelt. Dies ist entscheidend, um ein einfaches Entformen des ausgehärteten Bauteils zu gewährleisten und Beschädigungen zu vermeiden.
- Je nach Anforderung an die Oberfläche kann ein Gelcoat oder ein Oberflächenfilm aufgetragen werden, der später die äußere Schicht des Bauteils bildet.
2. Zuschneiden der Prepregs:
- Die Prepregs werden aus dem Kühlhaus entnommen (sie müssen oft gekühlt gelagert werden, um die Topfzeit zu verlängern und ein vorzeitiges Aushärten zu verhindern).
- Sie werden exakt nach den Vorgaben des Bauteildesigns zugeschnitten. Dies kann manuell oder maschinell (z.B. mit einem Cutter-Plotter) erfolgen. Die Schnittgenauigkeit ist wichtig für die spätere Passgenauigkeit und Oberflächenqualität.
3. Ablegen der Prepregs (Laminieren):
- Die zugeschnittenen Prepreg-Lagen werden präzise und blasenfrei in die Form gelegt. Diesen Vorgang nennt man Laminieren. Die Reihenfolge und Ausrichtung der einzelnen Lagen (Faserorientierung, z.B. 0°, +45°, -45°, 90°) sind entscheidend für die mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils.
- Beim Ablegen wird darauf geachtet, Lufteinschlüsse zwischen den einzelnen Lagen zu vermeiden. Oft wird dabei eine Rolle oder ein Andruckwerkzeug verwendet, um die Lagen fest anzudrücken.
- Bei komplexen Geometrien oder großen Bauteilen kann ein Zwischenvakuum (Debulk-Schritt) angewendet werden. Dabei wird nach dem Ablegen einiger Lagen kurzzeitig Vakuum angelegt, um eingeschlossene Luft zu entfernen und die Lagen kompakter zusammenzupressen.
4. Vorbereitung für den Aushärteprozess (Vakuumsackaufbau):
Nachdem alle Prepreg-Lagen abgelegt sind, wird das gesamte Laminat in der Form für den Aushärteprozess vorbereitet. Hierbei kommen verschiedene Materialien zum Einsatz:
- Trennlagen (Release Film): Eine perforierte oder unperforierte Folie, die über dem Laminat platziert wird, um überschüssiges Harz aufzunehmen und ein Anhaften des Bleeders zu verhindern.
- Bleeder/Breather (Sauglagen): Ein saugfähiges Vlies (z.B. Glasfaser- oder Polyestervlies), das über der Trennlage platziert wird. Es dient dazu, überschüssiges Harz und flüchtige Bestandteile während der Aushärtung aufzunehmen und einen gleichmäßigen Druckverteilung unter dem Vakuum zu gewährleisten.
- Vakuumsackfolie: Eine flexible, hitzebeständige Kunststofffolie, die über die gesamte Form gelegt und mit speziellem Dichtband (Sealant Tape) luftdicht an den Rändern der Form versiegelt wird.
- Vakuumanschluss: Ein Anschlussstutzen, der durch die Vakuumsackfolie geführt und mit einer Vakuumpumpe verbunden wird.
5. Evakuieren und Vakuumcheck:
- Die Vakuumpumpe wird eingeschaltet, um die Luft aus dem Vakuumsack zu evakuieren. Der entstehende Unterdruck presst die Vakuumsackfolie fest auf das Laminat.
- Ein sorgfältiger Vakuumcheck ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind und ein konstantes Vakuum über den gesamten Aushärteprozess aufrechterhalten werden kann.
6. Aushärtung (im Autoklaven oder Vakuumofen):
- Die gesamte Form mit dem Vakuumsack wird in einen Autoklaven oder Vakuumofen gebracht.
- Autoklav: Ein Druckbehälter, der sowohl Wärme als auch Überdruck erzeugen kann. Die Kombination aus Vakuum (zum Entfernen von Lufteinschlüssen) und Überdruck (zum Komprimieren des Laminats und zur Verbesserung der Faser-Volumen-Verhältnisse) ist ideal für hochqualitative Bauteile. Die Temperatur wird gemäß dem Harzherstellerprofil erhöht, um das Harz auszuhärten.
- Vakuumofen: Ein Ofen, der Wärme erzeugt und gleichzeitig das Vakuum aufrechterhält. Hier wird kein zusätzlicher Überdruck angewendet, was das Verfahren etwas einfacher, aber potenziell weniger perfekt in Bezug auf Lufteinschlüsse macht als ein Autoklav.
- Während der Aushärtung wird die Temperatur in einem genau definierten Profil erhöht und gehalten. Das Harz wird flüssiger, füllt letzte Hohlräume aus und härtet dann vollständig aus.
7. Abkühlen, Entformen und Nachbearbeitung:
- Nach der Aushärtung wird das Bauteil im Autoklaven oder Ofen langsam abgekühlt. Ein zu schnelles Abkühlen kann Spannungen im Material verursachen.
- Nach dem Abkühlen wird das Vakuum gelöst, die Vakuumsackmaterialien entfernt und das ausgehärtete Carbonbauteil vorsichtig aus der Form entnommen.
- Abschließend folgen Nachbearbeitungsschritte wie Besäumen (Entfernen von überschüssigem Material), Schleifen, Bohren, und gegebenenfalls Lackieren oder Polieren der Oberfläche.
Vorteile der klassischen Prepreg-Verarbeitung:
- Hohe Präzision und Reproduzierbarkeit: Durch die exakte Harz-Faser-Ratio in den Prepregs ist die Qualität sehr gleichmäßig.
- Hoher Faser-Volumen-Anteil: Ermöglicht die Herstellung von sehr leichten und extrem steifen Bauteilen.
- Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften: Die Kombination aus Hitze und Druck (insbesondere im Autoklaven) führt zu minimalen Lufteinschlüssen und einer optimalen Konsolidierung des Laminats.
- Sauberkeit und weniger Emissionen: Das Harz ist bereits in den Fasern gebunden, was die Handhabung sauberer macht und die Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) während des Laminierens reduziert.
- Komplexe Geometrien: Ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteile, da die Prepregs vor der Aushärtung flexibel sind.
Nachteile:
- Kosten: Prepreg-Materialien sind in der Regel teurer als trockene Fasern und flüssiges Harz.
- Lagerung: Prepregs müssen bei tiefen Temperaturen (oft -18°C oder kälter) gelagert werden, was spezielle Kühllager erfordert.
- Ausrüstung: Die Investition in Autoklaven oder Vakuumöfen ist erheblich.
- Begrenzte Topfzeit: Nach dem Auftauen haben Prepregs eine begrenzte Zeit, in der sie verarbeitet werden müssen, bevor das Harz zu stark vorhärtet.
Die klassische Prepreg-Verarbeitung ist das bevorzugte Verfahren für die Herstellung von Hochleistungs-Carbonfaserbauteilen, die höchste Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit und Gewicht erfüllen müssen, wie sie typischerweise in der Luft- und Raumfahrt, im Rennsport (Formel 1), bei Hochleistungs-Sportgeräten und in bestimmten Bereichen des Maschinenbaus zu finden sind.
Carbonherstellungsverfahren mit Prepreg-Infusionstechnik
Die Prepreg-Infusionstechnik, auch als Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI) oder Resin Infusion Molding (RIM) bekannt, ist ein fortschrittliches Verfahren zur Herstellung hochwertiger Carbonfaser-Verbundwerkstoffe. Es kombiniert die Vorteile von Prepregs (vorimprägnierte Fasern) mit der Infusionstechnik, um Bauteile mit hoher Faser-Volumen-Anteil, geringen Lufteinschlüssen und exzellenten mechanischen Eigenschaften zu fertigen.
Grundprinzip:
Im Gegensatz zur herkömmlichen Prepreg-Verarbeitung, bei der Harz bereits in den Fasern enthalten ist und unter Druck und Hitze aushärtet, wird bei der Prepreg-Infusionstechnik das Harz erst nach dem Ablegen der trockenen Prepreg-Lagen in die Form injiziert. Dies geschieht unter Vakuum, um eine vollständige und blasenfreie Durchtränkung der Fasern zu gewährleisten.
Schritte des Verfahrens:
1. Formvorbereitung:
- Die Form, in der das Bauteil hergestellt werden soll, wird sorgfältig gereinigt und mit Trennmittel behandelt, um ein einfaches Entformen zu gewährleisten.
- Oftmals werden Gelcoats oder Topcoats auf die Formoberfläche aufgetragen, um eine glatte und widerstandsfähige Oberfläche des fertigen Bauteils zu erzielen.
2. Zuschneiden und Ablegen der Prepregs (trocken):
- Die trockenen Prepreg-Zuschnitte (hier ist „Prepreg“ im Sinne von vorimprägnierten Fasern zu verstehen, die aber noch nicht mit dem Harz durchtränkt sind, das später infundiert wird – dies ist eine Besonderheit der Prepreg-Infusionstechnik im Vergleich zu „klassischen“ Prepregs) werden entsprechend dem Bauteildesign zugeschnitten.
- Diese trockenen Faserlagen, die oft schon mit einem Binder versehen sind, um die Handhabung zu erleichtern, werden präzise in die Form gelegt. Die Ausrichtung der Fasern ist entscheidend für die späteren mechanischen Eigenschaften des Bauteils.
- Hierbei ist zu beachten, dass es sich um Fasergelege handelt, die für die Infusionstechnik optimiert sind. Manchmal werden diese auch als „Dry Prepregs“ bezeichnet, um den Unterschied zu den vorharzgetränkten Prepregs hervorzuheben.
3. Anbringen der Vakuumsackfolie und Infusionshilfsmittel:
- Über dem abgelegten Faserpaket wird eine Vakuumsackfolie (oftmals eine flexible Kunststofffolie) luftdicht versiegelt.
- Zwischen den Faserlagen und der Vakuumsackfolie werden spezielle Infusionshilfsmittel platziert:
- Fließhilfe (Flow Media/Distribution Media): Ein Netz- oder Gittermaterial, das über die gesamte Oberfläche des Faserpakets gelegt wird. Es dient dazu, das Harz schnell und gleichmäßig über die gesamte Fläche zu verteilen.
- Harzverteilerschläuche: Schläuche, durch die das Harz in das Faserpaket geleitet wird.
- Vakuumschläuche: Schläuche, die mit einer Vakuumpumpe verbunden sind, um die Luft aus dem Vakuumsack zu evakuieren.
- Dichtbänder (Sealant Tape): Spezielle Dichtbänder sorgen für eine luftdichte Abdichtung des Vakuumsacks an den Rändern der Form.
4. Evakuieren und Vakuumcheck:
- Mithilfe einer Vakuumpumpe wird die Luft aus dem Vakuumsack abgesaugt. Dadurch wird ein Unterdruck erzeugt, der die Vakuumsackfolie fest auf das Faserpaket presst.
- Ein gründlicher Vakuumcheck ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind. Ein konstantes Vakuum ist für eine erfolgreiche Infusion entscheidend.
5. Harzmischung und Infusion:
- Das Harzsystem (meist Epoxidharz, aber auch andere Harze sind möglich) wird gemäß den Herstellerangaben mit dem Härter gemischt. Hierbei ist auf die richtige Mischungsverhältnis und Topfzeit zu achten.
- Das Harz wird dann durch die Harzverteilerschläuche in den Vakuumsack geleitet. Der Unterdruck zieht das Harz gleichmäßig durch das Faserpaket. Durch die Fließhilfe verteilt sich das Harz zügig über die gesamte Fläche und durchtränkt die trockenen Fasern vollständig.
- Der Prozess wird visuell überwacht, um sicherzustellen, dass das Harz alle Bereiche erreicht und keine trockenen Stellen (Dry Spots) zurückbleiben.
6. Aushärtung:
- Nachdem das Harz die Fasern vollständig durchtränkt hat, wird die Zufuhr gestoppt und das Bauteil unter Vakuum ausgehärtet.
- Die Aushärtung kann bei Raumtemperatur erfolgen (Kalthärtung) oder in einem Ofen bei erhöhter Temperatur (Warmhärtung), abhängig vom verwendeten Harzsystem und den gewünschten Bauteileigenschaften. Eine Warmhärtung führt in der Regel zu besseren mechanischen Eigenschaften.
7. Entformen und Nachbearbeitung:
- Nach vollständiger Aushärtung wird das Vakuum gelöst und die Vakuumsackfolie sowie die Infusionshilfsmittel entfernt.
- Das fertige Carbonbauteil wird vorsichtig aus der Form entnommen.
- Anschließend können Nachbearbeitungsschritte wie Besäumen, Schleifen oder Oberflächenfinish durchgeführt werden.
Vorteile der Prepreg-Infusionstechnik:
- Hoher Faser-Volumen-Anteil: Ermöglicht die Herstellung leichter und hochfester Bauteile.
- Geringe Lufteinschlüsse: Das Vakuum sorgt für eine blasenfreie Durchtränkung und minimiert Hohlräume, was die mechanischen Eigenschaften verbessert.
- Gute Oberflächenqualität: Bei Verwendung einer glatten Formoberfläche können Bauteile mit hoher Oberflächengüte direkt aus der Form entnommen werden.
- Reduzierte Harzverbrauch: Im Vergleich zu anderen Verfahren kann der Harzverbrauch optimiert werden.
- Bessere Prozesskontrolle: Das Vakuum ermöglicht eine präzise Steuerung des Harzflusses.
- Reduzierte Emissionen: Da das Harz in einem geschlossenen System verarbeitet wird, sind die Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) geringer.
Nachteile:
- Komplexität: Der Aufbau des Vakuumsacks und die Platzierung der Infusionshilfsmittel erfordert Sorgfalt und Erfahrung.
- Kosten: Die Anschaffung der benötigten Ausrüstung (Vakuumpumpe, Vakuumsackmaterialien etc.) kann initial höher sein.
- Größenbeschränkung: Sehr große und komplexe Geometrien können eine Herausforderung darstellen.
Die Prepreg-Infusionstechnik findet breite Anwendung in Bereichen, in denen leichte und hochfeste Carbonbauteile gefragt sind, wie z.B. in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie (Sportwagen, Formel 1), Windenergie, Bootsbau und im Sportgerätebau.
Hier sind einige der gängigsten Verfahren im Carbonbau:
Handlaminat (Hand Lay-up):
Prinzip:
Dies ist eines der ältesten und einfachsten Verfahren. Trockene Fasermatten (Gewebe oder Gelege) werden manuell in eine offene Form gelegt und anschließend mit flüssigem Harz (meist Epoxid-, Polyester- oder Vinylesterharz) getränkt, typischerweise mit Pinseln, Rollen oder Spachteln. Das Harz härtet dann bei Raumtemperatur oder unter leichter Wärmezufuhr aus.
Vorteile:
Geringe Werkzeugkosten, geeignet für Einzelstücke und Prototypen, einfache Umsetzung komplexer Formen.
Nachteile:
Hoher manueller Aufwand, ungleichmäßige Harzverteilung möglich, potenziell viele Lufteinschlüsse, geringerer Faser-Volumen-Anteil, schlechtere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Druckverfahren.
Anwendung:
Bootsbau, Prototypen, Kleinserien, Reparaturen.
Vakuuminfusion (VARTM – Vacuum Assisted Resin Transfer Molding / VAP – Vacuum Assisted Process):
Prinzip:
Ähnlich wie die Prepreg-Infusion, aber es werden ausschließlich trockene Fasergelege verwendet. Die trockenen Fasern werden in eine Form gelegt, mit einer Vakuumsackfolie abgedeckt und luftdicht versiegelt. Anschließend wird Vakuum angelegt und flüssiges Harz wird durch den Unterdruck in das Faserpaket gesaugt und durchtränkt die Fasern. Das Verfahren ermöglicht einen höheren Faser-Volumen-Anteil als das Handlaminat.
Vorteile:
Höherer Faser-Volumen-Anteil und bessere mechanische Eigenschaften als Handlaminat, weniger Lufteinschlüsse, sauberes Verfahren, gut für größere Bauteile.
Nachteile:
Benötigt Vakuumausrüstung, der Prozess erfordert Sorgfalt beim Aufbau, teils längere Prozesszeiten.
Anwendung:
Bootsrümpfe, Rotorblätter für Windkraftanlagen, Automobilteile (Kleinserie), Architektur.
Harzinfusion (RTM – Resin Transfer Molding / LRTM – Light Resin Transfer Molding):
Prinzip:
Trockene Faserpreforms (vorgeformte Faserpakete) werden in ein geschlossenes Werkzeug (oftmals zweiteilig) eingelegt. Das Werkzeug wird geschlossen und flüssiges Harz wird unter Druck in den Hohlraum gepresst, während gleichzeitig Luft an anderer Stelle entweichen kann. Nach dem Aushärten wird das Bauteil entformt. LRTM arbeitet mit geringerem Druck.
Vorteile:
Hohe Bauteilqualität auf beiden Seiten (da beide Seiten durch die Form definiert sind), gute Reproduzierbarkeit, hoher Faser-Volumen-Anteil, relativ kurze Zykluszeiten bei automatisierter Ausführung.
Nachteile:
Hohe Werkzeugkosten (präzise und stabile Formen erforderlich), nicht für komplexe Hinterschneidungen geeignet.
Anwendung:
Automobilindustrie (Serienfertigung von Karosserieteilen, Strukturbauteilen), Luftfahrt (Sekundärstrukturen), Sportartikel.
Pultrusion (Strangziehen):
Prinzip:
Endlose Carbonfasern (Rovings) werden durch ein Harzbad gezogen (imprägniert) und anschließend durch ein beheiztes Werkzeug (Düse) gezogen. Dabei wird die äußere Form des Profils definiert und das Harz härtet unter Hitze aus. Es entstehen endlose Profile mit konstantem Querschnitt.
Vorteile:
Sehr hohe Produktivität, kostengünstig für die Serienproduktion von Profilen, gute mechanische Eigenschaften in Faserrichtung.
Nachteile:
Nur für Bauteile mit konstantem Querschnitt und geradem Verlauf geeignet, anisotrope Eigenschaften (sehr stark in Faserrichtung, schwächer quer dazu).
Anwendung:
Profile (Rundstäbe, Vierkantprofile, U-Profile), Rohre, Verstärkungen in anderen Materialien (z.B. Beton), Zeltstangen, Sportgeräte.
Faserwickelverfahren (Filament Winding):
Prinzip:
Endlose Carbonfasern werden durch ein Harzbad geführt und anschließend unter Spannung auf einen rotierenden Dorn gewickelt. Die Wickelwinkel und Spannungen werden präzise gesteuert, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Nach dem Wickeln wird das Harz ausgehärtet und der Dorn ggf. entfernt (oder verbleibt als Innenteil).
Vorteile:
Sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit in Umfangsrichtung, geeignet für rotationssymmetrische Bauteile, gute Automatisierbarkeit.
Nachteile:
Begrenzt auf rotationssymmetrische Geometrien, der Dorn kann bei komplexen Formen schwierig zu entformen sein.
Anwendung:
Druckbehälter, Rohre, Antriebswellen, Sportgeräte (z.B. Fahrradrahmen, Angelruten), Raketenhüllen.
Pressverfahren / Compression Molding (mit Preforms oder SMC/BMC):
Prinzip:
Hier gibt es verschiedene Varianten.
- Preform-Pressen: Trockene Fasergelege werden zu einem Preform vorgeformt und in ein beheiztes Werkzeug gelegt. Anschließend wird das Harz injiziert oder bereits in Form eines „Harzkuchens“ zwischen die Preforms gelegt und unter hohem Druck und Temperatur ausgehärtet.
- SMC (Sheet Molding Compound) / BMC (Bulk Molding Compound): Hierbei handelt es sich um vorkonfektionierte Harz-Faser-Matten (SMC) oder -Teige (BMC), die in eine beheizte Form gelegt und unter hohem Druck ausgepresst und ausgehärtet werden. Die Fasern sind hierbei meist kurz geschnitten und zufällig verteilt.
Vorteile:
Sehr kurze Zykluszeiten (besonders bei SMC/BMC), hohe Oberflächenqualität, hohe Reproduzierbarkeit, gut für hohe Stückzahlen.
Nachteile:
Hohe Werkzeugkosten (Stahlwerkzeuge erforderlich), geringere Faserlänge und -ausrichtung bei SMC/BMC, was zu geringeren mechanischen Eigenschaften als bei Endlosfaser-Verfahren führt.
Anwendung:
Automobilindustrie (Massenproduktion von Karosserieteilen, Strukturbauteilen), Haushaltsgeräte, Elektroindustrie.
Automated Fiber Placement (AFP) und Automated Tape Laying (ATL):
Prinzip:
Hochautomatisierte Verfahren, bei denen Prepreg-Bänder (Tapes) oder einzelne Faserstränge (Filamente) robotergesteuert auf einer Form abgelegt und konsolidiert werden. AFP legt schmale Tapes ab, ATL breitere Bänder. Durch die präzise Ablage und Komprimierung können hochkomplexe Geometrien und Laminataufbauten realisiert werden.
Vorteile:
Sehr hohe Präzision und Reproduzierbarkeit, höchste Bauteilqualität, Minimierung von Verschnitt, geeignet für große und komplexe Bauteile.
Nachteile:
Sehr hohe Investitionskosten für die Anlagen, erfordert spezialisierte Software und Expertise.
Anwendung:
Luft- und Raumfahrt (Hauptstrukturbauteile, Flügel, Rumpfsegmente), High-End-Sportartikel.
3D-Druck mit Carbonfasern:
Prinzip:
Neuere Verfahren im Bereich des Additive Manufacturing, bei denen eine Polymer-Matrix Schicht für Schicht aufgebaut und gleichzeitig kontinuierliche Carbonfasern zur Verstärkung eingelegt werden.
Vorteile:
Designfreiheit für komplexe Geometrien, schnelle Prototypenfertigung, Möglichkeit zur Integration von Funktionen.
Nachteile:
Mechanische Eigenschaften noch nicht vergleichbar mit traditionellen Verfahren für hochbelastete Bauteile, Materialauswahl begrenzt, höhere Kosten für Großserien.
Anwendung:
Prototypen, Funktionsmodelle, Werkzeuge, Kleinserien von spezialisierten Bauteilen.
