Airpoxy - Entwicklung einer neuen Familie an Faser-Kunststoff-Verbunden

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Hohe Produktionsraten, kurze Zykluszeiten und robuste Prozesse sind die Voraussetzung für eine effiziente Fertigung von Hochleistungsbauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), speziell beim Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). FKV auf duroplastischer Basis stehen für hohe Gebrauchstemperaturen sowie integral gefertigte Bauteile in kleinen und mittleren Stückzahlen. FKV auf thermoplastischer Basis zeichnen sich hingegen durch hohe Stückzahlen, Schweißbarkeit und ein unkompliziertes Recycling aus. Die Entdeckung einer völlig neuen Kunststoffklasse durch Montarnal et al. im Jahr 2011, den Vitrimeren, eröffnet durch die Kombination der Vorteile von Duroplasten und Thermoplasten völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich Einsatz, Verarbeitung und Recycling von FKV.

Im Rahmen des AIRPOXY-Projekts (ThermoformAble, repaIrable and bondable smaRt ePOXY based composites for aero structures) sollen die Möglichkeiten und erreichbaren Eigenschaftsvorteile durch den Einsatz von Vitrimeren im Bereich der FKV näher erforscht werden. Ziel dieses EU-geförderten Projektes ist es, beispielhaft an CFK-Bauteilen aus dem Luftfahrtbereich nachzuweisen, dass auch die Produktions- und Instandhaltungskosten deutlich gesenkt werden können. Hierfür soll kohlenstofffaserverstärktes Vitrimer auf Epoxidharzbasis als Matrixpolymer entwickelt und die Verarbeitbarkeit erforscht werden. Bei Raumtemperatur sind Vitrimere  wie Duroplaste vollständig vernetzt, bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) können sie  jedoch, ähnlich wie Thermoplaste, umgeformt werden. Beim Erwärmen von Vitrimeren lösen sich die kovalenten Bindungen und vernetzen sich beim Abkühlen neu. Wird das Vitrimer vor der Wiedervernetzung verformt, bleibt diese Formänderung nach dem Abkühlen erhalten. Vitrimere vereinen daher die Vorteile gängiger Duroplaste, wie eine hohe Steifigkeit, chemische Beständigkeit und geringe Kriechneigung, mit thermoplastischen Eigenschaften, wie reversible Verformbarkeit, Schweißbarkeit und Recyclingfähigkeit. An der Institut für Verbundwerkstoffe GmbH werden drei mögliche Verarbeitungsmethoden entlang der Prozesskette zur Herstellung von Vitrimer-CFK-Bauteilen näher untersucht.

Zur Herstellung von flächigen Halbzeugen werden einzelne Lagen von Kohlenstofffasergewebe-Prepregs mit vollständig und teilweise ausgehärtetem Vitrimer auf einer Intervallheißpresse - unter simultaner Applikation von Konsolidierungsdruck und –temperatur - zu kontinuierlichen Vitrimer-CFK-Platten verarbeitet.

Die Weiterverarbeitung dieser Halbzeuge zu Bauteilen erfolgt im Thermoformverfahren. Aufgrund der spezifischen Umformungsmechanismen von Vitrimer-CFK muss ein völlig neuer Prozessansatz, ähnlich dem etablierten Thermoformen von thermoplastischen FKV, entwickelt werden. Dies betrifft in erster Linie das Temperaturmanagement und die damit verbundenen Expositionszeiten, um dem Vitrimer eine Reorganisation der dynamischen Bindungen während des Umformprozesses zu ermöglichen. Es werden entsprechende Prozessfenster erarbeitet, um eine prozesssichere Verarbeitung der Vitrimer-FKV im Thermoformverfahren sicherzustellen.

Die dynamischen, kovalenten Bindungen bieten weiterhin die Option, Vitrimer-CFK thermisch zu fügen. Hierzu wird erforscht, inwieweit das am IVW entwickelte Induktionsschweißen als Fügetechnologie für Vitrimer-CFK geeignet ist. Hierauf aufbauend sollen auch neue Konzepte für die Reparatur von Bauteilen entwickelt werden.

Weitere Forschungsthemen des Projektkonsortiums sind die Optimierung der Vitrimer-Harzformulierung, deren Verarbeitbarkeit im RTM-Verfahren, Untersuchungen zur Bauteilprüfung und dem Structural-Health-Monitoring sowie dem adhäsiven Fügen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden durch die Herstellung und Prüfung von Demonstratorbauteilen aus dem Luftfahrtbereich validiert.

Das AIRPOXY Konsortium setzt sich aus einem multidisziplinären Team von 11 Partnern aus sechs EU-Ländern zusammen.

Danksagung: Das Projekt wird im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 769274 aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 finanziert.

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Stefan Weidmann
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2017 383
E-Mail: stefan.weidmann@ivw.uni-kl.de