Cooler Leichtbau-Hit Glasfaser-Composites mit UV-Licht härten und trocknen

Die Leichtbau BW ehrt im Rahmen des monatlichen Thinking im März 2022 die IST Metz GmbH & Co. KG. Sie hat ein CO₂-neutrales Mittel zur Konsolidierung von GFK-Komponenten in petto.

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Leichtbau BW GmbH Landesagentur für Leichtbau

Bauteile aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gehören zu den Faserverbundwerkstoffen (FVK) respektive Composites. Sie werden im industriellem Maßstab zunächst mit Matrixharz getränkt und feucht in Form gebracht. Danach in der Regel thermisch gehärtet – konsolidiert, wie man auch sagt – wobei das Bauteil auch trocknet. Schneller, energiesparender und eleganter als mit Wärme geht das aber inline, mithilfe von UV-Licht. Dazu braucht es eine Matrixharzformulierung, die die chemische Aushärtungsreaktion durch UV-Lichtbestrahlung zulässt und die passende Strahlungstechnik.

Dann, heißt es weiter, können GFK-Halbzeuge wie Platten, Hülsen oder Profile in wenigen Minuten direkt im Prozess gehärtet und getrocknet werden. Das kann die IST Metz GmbH & Co. KG aus Nürtingen, die von der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg (Leichtbau BW) nun im März mit dem Thinking ausgezeichnet wurde. Denn die UV-Härtung von glasfaserverstärkten Kunststoffteilen ist nicht nur schnell und für die Serie geeignet, sondern läuft auch noch lösemittel-, styrol- und CO₂-frei ab.

GFK-Aushärtung mit UV-Licht verschlankt die Produktion

Die Härtung und Trocknung per UV-Licht klappt gut, denn Glasfasern sind aufgrund ihrer Strahlendurchlässigkeit für die UV-Härtung ideal. Um das Faser-Matrix-System also mit UV- oder UV/Vis-Strahlung (Mix aus unsichtbarer UV-Strahlung und sichtbarem – visible – Licht) zu konsolidieren, genügen Sekunden bis wenige Minuten. Das Bauteil sei nach Vernetzen und Abkühlen (die Härtungsreaktion an sich entwickelt Wärme) sofort belastbar. Es können sofort weiterverarbeitet werden. Der Zeitgewinn ist so groß, dass IST Metz in einem Fall eine Produktionslinie um über 80 Prozent schneller machen konnte. In einem anderen Fall genügten für das Konsolidieren einer 50 Zentimeter langen GFK-Hülse, die im Filament-Winding-Verfahren hergestellt wurde, 60 Sekunden an UV-Bestrahlung. Auch für besonders große Bauteile können so bearbeitet werden, was natürlich die Investition in große Öfen und Trockner obsolet macht. Auch spart man sich so das aufwendige Handling und es wird nur Energie benötigt, wenn wirklich gehärtet wird, sagen die mit dem März-Thinking geehrten Composite-Spezialisten. Die Energiekosten könnten deshalb direkt auf die Stückkosten umgerechnet werden.

Über alle Anwendungen hinweg bedürfe die UV-basierte Alternative für die Glasfaser-Composite-Härtung im Mittel nur etwa 30 Prozent der Energie, die von klassischen thermischen Verfahren verlangt würden. Im Beispiel der oben genannten gewickelten Hülse betrug der Energiebedarf demnach etwa 0,25 Kilowatt pro Werkstück, hat IST Metz ausgerechnet.

UV-Lichtaushärtung klingt trivial – ist es aber nicht...

Die für das UV-Härten geeigneten 1-Komponenten-Harzsysteme basieren auf Epoxyacrylaten und haben theoretisch eine unbegrenzte Topfzeit. Abhängig von der Anwendung vermindert sich deshalb der Reinigungsaufwand und das Anmischen kann entfallen. Es entstehe auch weniger Produktionsabfall. In ihren mechanischen Kennwerten dagegen sind sie nach dem Konsolidieren mit den bisherigen Harzsystemen mindestens vergleichbar.

Auch wenn das UV-Konsolidieren von GFK zunächst einfach scheine, erfordere das Auslegen des Inline-Prozessschritts viel Erfahrung, denn er müsse stets an das jeweilige Produkt angepasst werden. Zum Anwendungs- und Prozess-Know-how von IST Metz gehören deshalb nicht nur die UV-Lampen sondern auch wie man richtig kühlt, oder eventuell notwendige Explosionsschutz-Maßnahmen umsetzt. Auch das Anlagendesign bei der Installation der UV-Lampen über die gesamte Breite der Prozesslinie respektive Bauteilfläche spielt mit Blick auf die reproduzierbare Qualität der Vernetzung, Härtung und Trocknung eine große Rolle, sagen die Nürtinger.

Auch die UV-Strahlungsspektren sind wichtig

Außer der Temperatur und einer homogenen Bestrahlung der GFK-Teilfläche sind auch die relevanten UV-Licht-Wellenlängen auf das Fasermaterial, das Bauteil und auf den Prozessfortschritt hin abzustimmen. Das reicht von langwelliger UV/Vis-Strahlung für dickere Werkstoffe bis hin zu kurzwelliger UV-C-Strahlung, welche die reine Oberflächenhärtung von Veredelungsschichten auf GFK-Komponenten übernimmt. Auch eine gleichzeitige Bestrahlung von oben und von unten könne mal notwendig sein: beispielsweise wenn es um Sandwich-Materialien geht, oder wenn die Transluzenz der Fasern die Eindringtiefe der Strahlen beeinträchtigten.

Hier noch ein kleines Video, das zeigt, wie der Prozess funktioniert.

Die Vorteile der UV-Härtung von GFK auf einen Blick:

• Schnell – Das Härten mit hochenergetischem Licht dauert nur wenige Minuten;

• Nachhaltig – Das UV-Licht-Härteverfahren läuft mit grünem Strom betrieben CO2-frei;

• Energieeffizient – Die Energiequelle Licht muss nicht vorgeheizt oder auf Betriebszustand gehalten werden, denn sie benötigt nur für den Vorgang des Konsolidierens Energie;

• Günstig – Das Konsolidieren der GFK-Teile erfolgt direkt im Prozess. Den Transport in eine Härtungskammer und das damit verbundene Handling der Teile braucht es nicht;

• Umweltschonend – Das umweltverträglichere 1-K-Harzsystem kommt ohne Styrol oder Lösemittel aus.

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