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Thermoplaste Effiziente Wickeltechnik für Composite-Strukturen

| Autor / Redakteur: Christian Hopmann, Peter Schneider und Arne Böttcher / Peter Königsreuther

Faserverbundbauteile mit duromerer Matrix sind nur eingeschränkt recycelfähig. Mit einer thermoplastischen Matrix gelingt das aber weitaus besser. Eine neue Anlagentechnik ermöglicht jetzt auch die Verarbeitung von in-situ-polymerisierenden Thermoplasten.

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Bild 1: Mit einer neuartigen Anlagentechnik gelingt das Wickeln und Imprägnieren von CFK- oder GFK-Rovings in thermoplastischer Matrix. Hier entsteht ein robuster und leichter CFK-Druckbehälter.
Bild 1: Mit einer neuartigen Anlagentechnik gelingt das Wickeln und Imprägnieren von CFK- oder GFK-Rovings in thermoplastischer Matrix. Hier entsteht ein robuster und leichter CFK-Druckbehälter.
(Bild: RWTH Aachen)

Das Thema Ressourceneffizienz, insbesondere im Verkehrsbereich, ist eine der zentralen Leitinitiativen der EU-Strategie „Europa 2020“ [1]. Neue Antriebskonzepte auf Basis von verflüssigten CO2-armen Gasen oder Elektromotoren tragen nur dann effektiv zur Initiative bei, wenn sie Fahrzeuge nicht schwerer machen. Hier lauert aber ein Zielkonflikt: Ein konventioneller Stahltank zur Speicherung von 42 l Compressed Natural Gas (CNG) wiegt circa 58,8 kg und damit deutlich mehr als übliche Flüssigkraftstofftanks [2]. Elektrofahrzeuge benötigen schwere Batterien, die 19 bis 29 % der Gesamtmasse des Fahrzeugs ausmachen [3].

FVK-Teile lösen Gewichtsprobleme

Der Leichtbau mittels Faserverbundkunststoffen (FVK) bietet die Möglichkeit, diese Nachteile der neuen Antriebskonzepte zu kompensieren. Rotationssymmetrische duromere FVK, wie Gastanks (CNG-Fahrzeuge) oder Antriebswellen (Elektrofahrzeuge) können im etablierten Nasswickelverfahren gefertigt werden. Dabei wird ein Glas- oder Carbonfaser-Roving von einer Spule abgezogen und mit der Kunstharzmatrix, die meist in einem offenen Bad bereitgestellt wird, imprägniert. Der mit Harz getränkte Roving wird, via Fadenauge geführt, auf einem rotierenden Wickelkern gespult. Durch die Relativbewegung von Fadenauge und Wickelkern sind lastgerechte Orientierungen des Rovings möglich, sodass ein besonders hohes Leichtbaupotenzial bei einem gleichzeitig hohen Automatisierungsgrad ausgeschöpft werden kann. Ein gewickelter FVK-Druckbehälter („Typ-IV-Druckbehälter“) zur Speicherung von 42 l CNG wiegt so nur noch 12,6 kg und kann folglich 79 % Gewicht reduzieren. Das Gewicht von Antriebswellen kann so um rund 50 % gesenkt werden [2, 4]. Das Marktpotenzial dieser FVK-Bauteile ist enorm, wenn man bedenkt, dass das Ziel von einer Million Elektrofahrzeugen bis 2020 eine jährliche Verdopplung des Bestands bedeutet. Im Bereich der gasbetriebenen Fahrzeuge werden Wachstumsraten zwischen 15 und 30 % erwartet [5, 6].

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Thermoplast-Matrix gegen Impact-Gefahr

Im Bereich des Fahrzeugunterbodens können duromerbasierte FVK-Teile aber wegen der Steinschlaggefahr nur bedingt eingesetzt werden. Thermoplastische FVK (TP-FVK) sind weniger anfällig für Impact-Schäden und ermöglichen zusätzlich auch das nachträgliche Anschweißen von Montageelementen sowie das wirtschaftliche Recycling. Aus verarbeitungstechnischer Sicht sind TP-FVK interessant, weil sie keinen mehrere Stunden dauernden Vernetzungsprozess benötigen und so kürzere Zykluszeiten und geringeren Energieverbrauch versprechen.

Die hohe Verarbeitungsviskosität von Thermoplastschmelzen (über 1000 Pa im Vergleich zu 0,1 Pa bis 10 Pa bei Duromeren) erschwert jedoch das Wickelverfahren, weil die Imprägnierung der Rovings im Tränkbad nicht prozesssicher ist [7]. Bisherige Lösungsansätze zum thermoplastischen Wickeln verfolgen eine Viskositätsverringerung durch die Zugabe von Lösungsmitteln oder die Verkürzung der Imprägnierwege durch Aufschmelzen von vorimprägnierten Tapes, Hybridrovings sowie die Integration von Extrudern zur Bereitstellung der Schmelze [8-10]. Diese Konzepte sind aber entweder teuer oder hinsichtlich der Imprägnierqualität nur mäßig brauchbar.

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