Leichtbauweise mit CFK erhöht Bauteilfestigkeit

Kunststoffe mit Kohlenstofffaserverstärkung (CFK) ermöglichen trotz Leichtbauweise eine hohe Bauteilfestigkeit. Außerdem wird gegenüber Aluminiumlegierungen zusätzlich Gewicht eingespart. Diese...

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Kunststoffe mit Kohlenstofffaserverstärkung (CFK) ermöglichen trotz Leichtbauweise eine hohe Bauteilfestigkeit. Außerdem wird gegenüber Aluminiumlegierungen zusätzlich Gewicht eingespart. Diese Vorteile macht sich der Flugzeugbau zunutze, wo derzeit die automatisierte Serienfertigung anläuft. Davon werden andere Branchen wie Automobil- und Maschinenbau profitieren, wie bereits erste Anwendungen zeigen.Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird in der gesamten Verkehrstechnik der Leichtbau mit Nachdruck gefordert. Am ausgeprägtesten gilt dies in der Luftfahrttechnik, die somit auch Technologieschrittmacher ist. Ziel ist es, bis zum Jahre 2010 einen DFK-Rumpf für Passagierflugzeuge etwa der Größe eines AIrbus A 320 zu entwickeln.Die erwartete Gewichtsreduzierung von etwa 8000 kg entspricht - bezogen auf die Glugzeuglebensdauer - einer Kraftstoffredzuierung von 24 Mio. Hinsichtlich der Anforderungen im Leichtbau werden sich in Zukunft die Synergieaspekte bei den verschiedenen Verkehrsträgern erheblich verstärken. Die EU-Richtlinien sehen bereits für das Jahr 2008 vor, dass der Pkw-Flottenverbrauch der verschiedenen Hersteller zu einer CO2-Emission von weniger als 140 g je Kilometer führen wird, was einem Verbrauch von etwa 5,7 l Benzin auf 100 km entspricht. Weil sich bis dahin die notwendige Reduzierung des Verbrauchs nicht allein durch verbesserte Antriebskonzepte und Aerodynamik erreichen lässt [1], kann eine Lösung der Problematik nur im Leichtbau gefunden werden. Ähnliche Szenarien finden sich auch bei Schienenfahrzeugen [2] und Schiffen [3].Die Anwendung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe für Strukturen der Verkehrstechnik hat anerkannt das höchste Potenzial zur Gewichtsreduzierung von Verkehrsträgern. Selbst gegenüber Aluminiumlegierungen ist eine Gewichtsreduzierung bis zu 30% möglich. Einer breiten Anwendung widersprachen jedoch bisher die nicht marktfähigen Herstellungskosten. Daher hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung Ende der neunziger Jahre intensiv den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen gefördert, insbesondere die Anwendung neuer, kostengünstiger Fertigungsverfahren, um Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen. Das hat in den Laboratorien zu einer Vielzahl aussichtsreicher Einzelentwicklungen geführt, die bei Integration zu neuen Produktionsverfahren ein hohes Rationalisierungspotenzial haben. Damit sollte die vom Markt geforderte Unterschreitung der Stückkosten von Metallteilen gelingen.Harzinjektionsverfahren bringen KosteneinsparungBesonders aussichtsreich sind die sogenannten Nasstechnologien. An ausgewählten Strukturen konnte bereits ohne weitergehende Automatisierung gegenüber der etablierten Prepregbauweise ein Kostenvorteil von 30 bis 40% nachgewiesen werden [4]. Der Begriff Nasstechnologie hat sich als übergeordnete Bezeichnung für die Harzinjektionsverfahren durchgesetzt, die das Verarbeiten hochreaktiver Harzsysteme zu komplexen Bauteilen ermöglichen. Die hochreaktiven Harzsysteme führen zu kurzen Taktzeiten. Aufgrund der Möglichkeit, komplexe Bauteile herzustellen, lassen sich Zusatzfunktionen - beispielsweise Isolierung und Dämpfung - integrieren. Auch kann die Anzahl der Teile eines Produkts signifikant reduziert werden, was gegenüber der Metallbauweisen zur Reduzierung der Montageschritte führt.Die Harzinjektionsverfahren erlauben die Verwendung von trockenen Verstärkungsstrukturen. Mit einem optimal aufgebauten automatisierten Vorformprozess können sie so verarbeitet werden, dass sie direkt in die Kavität des ,,Fertigungsmittels" (FEMI) eingelegt werden können [5]. Für diesen Vorformprozess (Preforming) wird der Umstand ausgenutzt, dass die trockenen Fasergebilde leichter verformbar sind als Prepreg. Hinzu kommt die Möglichkeit neue Verbindungstechniken wie das strukturelles Nähen einzuführen [6]. Auch kann die Textilindustrie wichtige Beiträge zum Preforming liefern und somit die heute noch zu große Fertigungstiefe der Hersteller von Bauteilen aus Faserverbund-Werkstoffen verringern. Für die Harzinjektion wurde im Rahmen der Forschungsarbeiten der Luftfahrtleitlinie 2 (LUFO 2) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie und der dazu assoziierten Forschungsarbeiten der Materialforschungsprogramme (MaTech) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung eine Reihe von Verfahren entwickelt. Zu nennen sind zum Beispiel das SLI-Verfahren [5], das Vari-Verfahren [7] oder das VAP-Verfahren [8], wobei letztere Varianten ohne Autoklaven arbeiten. Auch zur Preformtech-nik gibt es mehrere laufende Forschungsarbeiten, zum Beispiel unter den Bezeichnungen Optimax und lntex. Die neuen Produktionsansätze basieren auf den genannten modernen Einzelverfahren mit nachfolgenden Merkmalen:- In Hinblick auf das jeweilige Bauteil sind die Entwicklungs- und Investitionskosten niedrig, wenn Fertigungssimulation und teilflexible Werkzeuge zur Anwendung kommen.- Die textile Preformtechnologie führt zum optimierten Multiaxial-Gelege. Es wird das Verfahren strukturelles Nähen angewandt.- Unterdruck gesteuerte Verfahren vereinfachen das Handling der textilen Halbzeuge.- Injektionsverfahren mit Linienanguss und Pressklavtechnik ermöglichen schnelles Durchtränken des Faserwerkstoffs mit ausgewähltem Harzsystem- Der Einsatz hochreaktiver Harze und schnelles Aufheizen beschleunigt das Aushärten.- Verbesserte Oberflächenbehandlung und Klebetechnik erhöhen Produktqualität und Wirtschaftlichkeit.Automatisierte Fertigung erschließt neue MärkteMit diesen Ansätzen ist der Schritt von der handwerklich geprägten Einzelteilfertigung zur automatisierten Serienfertigung in Portalsystemen kurz vor der Umsetzung - und damit auch der Schritt in neue Märkte wie den Schienenfahrzeugbau, die Nutzfahrzeugfertigung und den Maschinenbau in greifbarer Nähe gerückt (Bilder 1 und 2). Diesem Prozess kommt die Entwicklung in der europäischen Luftfahrttechnik sehr entgegen. So haben sich die Produktionsraten beim Airbus in den letzten 15 Jahren mehr als verzehnfacht. Auch im Flugzeugbau ist der Übergang von der Einzelteilfertigung zur automatisierten Serienfertigung zwingend notwendig. Die Luftfahrtindustrie wird als Schrittmacher in der CFK-Technologie unter anderem im CTC (Composite Technology Center Stade) den Schritt zur automatisierten Serienfertigung vollziehen, wovon die Branchen Verkehrstechnik und Maschinenbau profitieren werden.Literatur[1]Schwaberlapp, M.: Leichtbau und Reibungsminderung - Werkstofftrends im Motorbereich. 2. Deutscher IIR-Werkstoffkongress Imat in Stuttgart, 22. bis 23. Januar 2001.[2]Altmann, K.: Quo Vadis Waggonbau? - Einige aktuelle Konzepte und Richtungen der Bauweisenentwicklung im Waggonbau. ZEV + DET Glas ANN 1999/19.[3] Herbeck, L.: Technologietransfer aus dem Flugzeugbau in den Schiffbau. Symposium der Neue Materialien Niedersachsen e.V. in Hannover, April 2000.[4]Herrmann, A.S., C. Sigle und A. Pabsch: Optimierte Textiltechniken für Hochleistungsverbundstrukturen. Proceedings auf der Techtextil in Frankfurt am Main, 1999.[5]Herrmann, A. S.: Kostengünstige Faserverbundstrukturen - eine Frage neuer Produktionsansätze. 31. Internationale AVK-Tagung in Baden-Baden, 1. bis 2. Oktober 2000. [6]Herrmann, A. S., C. Sickinger und H. Wilmes: Strukturelles Nähen - eine Maßnahme zur Realisierung von Hochleistungsfaserverbundstrukturen. DGLR-Jahrestagung in Leipzig, 18. bis 21. September 2000. [7]Hinz, B.: Der Vari-Prozess (vacuum assisted resin infusion) für großflächige Luftfahrtbauteile. 6. Nationales Symposium ,,Verbundwerkstoffe für die Mobilität im neuen Jahrtausend" in Stuttgart, 16. und 17. März 2000, SAMPE Deutschland e.V.[8]Lorenz, T.: Kosteneffektive CFK-Fertigungsverfahren der nächsten Generation, 7. Nationales Symposium ,,Werkstoff- und Fertigungstrends bei Verbundwerkstoffen" in Erlangen, 22. bis 23. Februar 2001, SAMPE Deutschland e.V.