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Carbon Composites & Prepreg-Autoklavtechnik: Alles was Sie wissen sollten!

by Rosenmaier Armin

Die Nachfrage nach hochkomplexen Carbon-Composite-Bauteilen mit hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften wird immer größer. Speziell in Hochleistungsbranchen mit kontinuierlich fortschreitenden Forschungs- & Entwicklungsaktivitäten kennt dieser Bedarf kein Ende. Um die Fertigung solcher komplizierten Bauteile auch gewährleisten zu können, ist der Einsatz von dementsprechend passenden Fertigungsverfahren notwendig. Betrachtet man den Bereich der Faserverbundverarbeitung, so ist eines dieser Verfahren die Autoklaven-Prepreg-Technik. Mit Hilfe von diesem Verfahren lassen sich spezielle Bauteile mit hervorragenden Eigenschaften für Branchen wie die Luftfahrt, die Raumfahrt und den Motorsport herstellen. Was genau die Autoklaven-Prepreg-Technik ist, welche Vorteile das Verfahren mit sich bringt, wie es funktioniert und in welchen Bereichen es angewandt werden kann, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Inhaltsverzeichnis:
Was versteht man unter dem Autoklaven-Prepreg-Verfahren? 
Wie läuft der Herstellungsprozess von Faserverbundkomponenten ab?
Was sind die Vor- und Nachteile des Autoklaven-Prepreg-Verfahrens?
Wo wird das Autoklaven-Prepreg-Verfahren eingesetzt? 
Fazit


Was versteht man unter dem Autoklaven-Prepreg-Verfahren? 

Beim Prepreg-Verfahren werden mit Reaktionsharzen vorimprägnierte textile Faser-Matrix-Halbzeuge (Prepregs) in einem verschließbaren Druckbehälter (Autoklav) unter Wärmeeinwirkung und Druck ausgehärtet. Dazu werden die Prepregs (pre-impregnated fibres) exakt zugeschnitten und in genau definierter Reihenfolge und Ausrichtung in eine zuvor hergestellte Werkzeugform manuell eingebracht. Anschließend härtet die in einem temperaturbeständigen Foliensack vakuumierte Form im Autoklav aus und steht nach einer Abkühlungsphase zur weiteren Verarbeitung und Veredelung bereit. 

Carbon Autoklav-1Legeprozess Carbon

 

 

 

            


        Abbildung 1:
Autoklav der carbon-solutions Hintsteiner GmbH                               Abbildung 2: Darstellung eines Prepregs im Legeprozess

Wie läuft der Herstellungsprozess von Faserverbundkomponenten ab? 

Der Herstellungsprozess von Leichtbaukomponenten aus Faserverbundstoffen mit Hilfe der Autoklaven-Prepreg-Technik benötigt mehrere Teilschritte. Um Verständnis für diesen Herstellungsprozess zu schaffen, werden im Folgenden die wichtigsten Prozessschritte erläutert. 

Formenbau

Um Bauteile aus Faserverbundstoffen fertigen zu können, werden spezielle Formwerkzeuge benötigt in/auf welche die einzelnen Prepreglagen abgelegt werden. Jene Formen können aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt werden. Für das Prepreg-Autoklaven-Verfahren ist es sinnvoll Materialien einzusetzen, welche den Prozessparametern (Druck- und Temperatureinwirkung) standhalten. Dementsprechend wird hierbei oft auf Formen aus Aluminium oder Faserverbundstoffen, wie CFK zurückgegriffen. Üblicherweise werden die Materialrohlinge durch CNC-Fräsen in ihre finale Form gebracht.

Kunststoff FormenbauAbbildung 3 : Fräsen einer Werkzeugform

Generell unterscheidet man bei Formwerkzeugen zwischen Negativ- und Positiv-Formen. Negativ-Formen werden stets dann eingesetzt, wenn die fertigen Bauteile eine hohe Oberflächengüte an den Außenflächen aufweisen müssen. Im Gegensatz dazu verwendet man Positiv-Formen zur Umsetzung schöner und glatter Innenflächen an Bauteilen. 

Negativ- Positivform-1Abbildung 4: Unterschied Positiv-Form und Negativ-Form

 

Inbetriebnahme und Vorbehandlung der Formen

Bevor die Formwerkzeuge letztendlich in Betrieb genommen werden, müssen diese passend vorbehandelt werden. Dementsprechend muss eine neue Form mehrfach mit einem sogenannten Sealer behandelt werden, bevor diese eingesetzt wird. Dabei werden mehrere Schichten in zeitlichen Abständen (2-5 Schichten in 15 Minuten Intervallen) aufgetragen. Der Auftrag des Mittels geschieht mit einem in Sealer getränkten Tuch oder Pinsel. Dies gewährleistet, dass die Mikroporen im Werkzeug bestmöglich verschlossen werden. Dadurch kann sich das Harz im Aushärteprozess nicht in den Poren festsetzen. Zugleich verbessert sich auch die Oberflächenqualität des Bauteiles. Bei gebrauchten Werkzeugen ist dieser Vorgang nicht vor jedem Einsatz zu wiederholen, jedoch ist es ratsam diesen nach einer bestimmten Anzahl an Einsätzen erneut durchzuführen.

Sind die Formwerkzeuge ausreichend mit Sealer behandelt, erfolgt das Auftragen von Trennmittel. Beim nächsten Arbeitsschritt dem "Trennen" wird ein Tuch mit dem Trennmittel getränkt. Mithilfe des getränkten Tuches wird das Trennmittel auf das Bauteil aufgetragen. Das Trennmittel garantiert, dass die fertigen Bauteile nach dem Aushärteprozess mit so wenig Widerstand wie möglich aus dem Formwerkzeug entfernt werden können. Dadurch wird auch die Beschädigung der Bauteiloberfläche durch zu große Haftung vermieden. Die Behandlung mit Trennmittel muss vor jedem Gebrauch des Werkzeuges gründlich durchgeführt werden.

Ablegen der Prepreg-Lagen in das Formwerkzeug 

Die Fertigung von Carbonbauteilen beginnt mit der Vorbereitung der benötigten Prepreg-Gewebe. Je nach Einsatzgebiet müssen die passenden Gewebe gewählt werden, um die Einhaltung der geforderten Belastbarkeitseigenschaften des Bauteils gewährleisten zu können. In weiterer Folge werden die gewählten Matten mit Hand oder mit Hilfe von speziellen Schneidanlagen zugeschnitten. Ist das Material vorbereitet und grob zugeschnitten, werden die einzelnen Matten Schicht für Schicht in das Formwerkzeug eingelegt. Dabei ist auf die strikte Einhaltung des definierten Lagenaufbaus zu achten. Demnach wird vorgegeben, wie die einzelnen Matten im Werkzeug positioniert und eingelegt werden und wo Verstärkungen oder sonstige Bauteilkomponenten (wie z.B. Inserts) eingebracht werden müssen.

Um eine bessere Formgebung und Oberfläche zu gewährleisten, muss das Werkzeug nach einlegen der ersten Lage für ca. 15-30 Minuten vakuumiert werden. Dies sollte auch nach mehreren relevanten Arbeitsschritten geschehen. Somit wird garantiert, dass die einzelnen Lagen bereits vorab perfekt in der Formwerkzeugkontur sitzen.

Besteht das Formwerkzeug aus mehreren Komponenten, muss dieses je nach Arbeitsschritt zusammengesetzt und montiert werden. Die Verbindung der einzelnen Komponenten geschieht meist durch Schraubenverbindungen und Positionierstifte.

Ablegen der Prepreg-LagenAbbildung 5: Ablegen der Prepreg-Lagen in das Formwerkzeug

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Vorbereiten und Vakuumieren des Aufbaus für den Autoklavenzyklus

Nach Abschluss des Laminierprozesses wird das Bauteil inkl. Formwerkzeug vakuumiert. Dafür wird ein belastbarer Vakuumsack vorbereitet, welcher über das Werkzeug gezogen wird. Das Bauteil muss an den offenliegenden Prepreg-Flächen vorab mit Trennfolie abgedeckt werden, sodass das Saugvlies, welches für die Luftabfuhr benötigt wird, nicht am Bauteil festklebt. Anschließend wird der Sack verschlossen und die darin enthaltene Luft über ein Ventil abgesaugt. Die Luft wird, wie zuvor angemerkt, über das im Sack beigelegten Saugvlies abgeführt.

VakuumierenVakuumverpackter Bauteil

 

 

 

 

 

Abbildung 6: Vakuumieren                                                                                                                    Abbildung 7: Verpacken des Bauteils/Werkzeug mit einem Vakuumsack 

 

Autoklavenzyklus

Ist der Vakuumsack dicht verschlossen und vakuumiert, wird dieser im Autoklaven angeschlossen. Über eine  direkte Leitung am Sack wird kontinuierlich Unterdruck erzeugt. Zudem wird der Sack im Autoklaven von außen mit zusätzlichem Druck (ca. 2-6 bar) und Temperatur (ca. 130°C) beaufschlagt. Dadurch werden die eingelegten Prepreg-Matten stark in das Formwerkzeug gepresst. Die Temperatur bedingt dabei die Verflüssigung des Harzes, welches in den Prepreg-Matten enthaltenen ist. Dabei fließt das Harz und bewirkt nach der Abkühlung des Autoklavens einen Verbund zwischen den einzelnen Matten. Je nach Anforderungen an das Bauteil und Eigenschaften des eingesetzten Prepreg-Materials müssen die Prozessparameter gezielt gewählt werden.

Bauteil im AutoklavenAbbildung 8: Anschließen der vakuumierten Bauteile/Werkzeuge im Autoklaven

Abkühlen und Entformen

Ist der Aushärteprozess vollständig und der Autoklav abgekühlt können die Säcke aus dem Druckbehälter entnommen werden. Danach werden die Säcke von den Formwerkzeugen entfernt. Um die Bauteile nun aus den Werkzeugen zu bekommen werden verschiedenste Handwerkzeuge (Hammer, Keile, …) verwendet.

Endbearbeitung

Wurden die Bauteile aus den Formwerkzeugen entfernt, werden diese an die Mitarbeiter in der Endfertigung übergeben. Im ersten Schritt werden diese auf Maß genau zugeschnitten, dies geschieht mit Hilfe von unterschiedlichen Schneid- und Schleifwerkzeugen, wie Winkelschleifern, Schleif-Rutschern und/oder Schleiffeilen. Bei größeren Stückzahlen erfolgen solche Arbeitsschritte mit Hilfe einer CNC-Fräse. Nach dem Schneiden erfolgt die generelle Endmontage.

Die Endmontage setzt sich, je nach Kunden- und Bauteilanforderung aus verschiedensten Tätigkeiten zusammen. Weil diese Tätigkeiten sehr vielseitig sind werden folgend nur einige Beispiele gelistet:

  • Das Bohren von Löchern
  • Das Schneiden von Gewinde
  • Das Einsetzen von Inserts
  • Das Lackieren der Bauteile
  • Das Montieren benötigter Anbauteile
  • Das Verkleben einzelner CFK-Komponenten zu fertigen Baugruppen

Sind die benötigten Montageschritte durchgeführt kommt es zur Bauteilendkontrolle. Dabei wird kontrolliert, ob alle Maße, Inserts, Anbauteile usw. den gewünschten Anforderungen entsprechen. Kommt es zu leichten Abweichungen werden Bauteile je nach Bedarf nachgearbeitet.

Zuschnitt eines BauteilsAbbildung 9: Maßgenaues Zuschneiden der Bauteile mit Hilfe verschiedenster Schneidwerkzeuge

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Was sind die Vor- und Nachteile des Autoklaven-Prepreg-Verfahrens? 

Der Einsatz des Autoklaven-Prepreg-Verfahrens bringt eine Anzahl von Vorteilen mit sich, welche nachfolgend übersichtlich dargestellt werden.

Exakte Reproduzierbarkeit von Bauteilen 

Aufgrund des konstanten Harzgehalts im Gewebe wird eine exakte Reproduzierbarkeit von einzelnen Bauteilen gewährleistet. Dies ermöglicht eine genaue Fertigung von Produkten ohne große Abweichungen zwischen den Bauteilen aus unterschiedlichen Fertigungsperioden.

Optimale Kraftübertragung

Durch die definierte und optimierte Ausrichtung der Verstärkungsfaser im Faser- und Lagenverbund kann eine optimale Faser-zu-Faser-Kraftübertragung sichergestellt werden. Dies spiegelt sich in der Herstellung von Bauteilen mit besten mechanischen Eigenschaften wieder.

Geringes Gewicht bei hoher Belastbarkeit 

Trotz der hervorragenden mechanischen Belastbarkeitseigenschaften von Carbon bleibt das Bauteilgewicht sehr gering. Aus diesem Grund wird der Werkstoff und das Verfahren in Hochleistungsbranchen eingesetzt.

Optimale Bauteilqualität 

Weiters steigert der Einsatz der Autoklaven-Prepreg-Technik die Bauteilqualität. Beispielsweise lässt sich dies durch den geringen Luftporengehalt im ausgehärteten Material erkennen. Dieser ist zurückzuführen auf die optimierte Imprägnierung der Prepregs, sowie der klar definierten Prozessparameter für den Autoklavenzyklus.

Durch die Vorimprägnierung der Prepregs wird auch der Faservolumengehalt im Endprodukt erhöht. Somit treten die hervorragenden Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften der Verstärkungsfaser vermehrt in den Vordergrund.

Neben den zahlreichen Vorteilen, welche das Autoklaven-Prepreg-Verfahren mit sich bringt, gibt es auch aus Aspekte, welche mit kritischem Auge betrachtet werden müssen. Jene Aspekte werden folgend kompakt beschrieben.

Carbonbauteil inkl. InsertsAbbildung 10: Bauteil mit verschiedensten Inserts, Hülsen usw.

Hohe Investitionssummen 

Um ein Carbon-Bauteile mit der Autoklaven-Prepreg -Technik fertigen zu können, wird ein Autoklav benötigt. Je nach Einsatz können solche Druckbehälter der Größe eines Einfamilienhauses entsprechen und benötigen zudem zur Ausführung ihres Zwecks eine hochtechnologische Ausstattung. Demnach ist auch mit einer hohen Investitionssumme zu rechnen.

Zeitintensive Bauteilproduktion 

Weiters ist die Autoklaven-Prepreg -Technik im Vergleich zu anderen Verfahren arbeits- und zeitintensiver. Dies ist bedingt durch den Aushärteprozess im Autoklaven. Jener kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Aus diesem Grund sind auch längerer Taktzeiten in der Produktion zu berücksichtigen.

Wo wird das Autoklaven-Prepreg-Verfahren eingesetzt? 

Wie Anfangs bereits angemerkt wird das Autoklaven-Prepreg-Verfahren aufgrund der Möglichkeit zur Herstellung hochkomplexer Bauteile mit hervorragenden Eigenschaften in verschiedensten Hochleistungsbranchen eingesetzt. Untenstehend erfolgt eine Listung von Branchen in welchen diese Technik angewandt wird und welche Bauteile beispielsweise daraus entstehen.

  • Raumfahrt: Primärstrukturen, Solarpanele, Instrumententräger
  • Luftfahrt: Rumpf- und Flügelstrukturen, Innenausbauten, Verschalungen, Rotorblätter
  • Rennsport: Chassis, Radaufhängung, aerodynamische Strukturen, Luftführungen, Monocoque
  • Bootsbau: Masten, Dächer, Rumpfstrukturen von Hochleistungsschiffen
  • Maschinenbau: Roboterarme, schnell laufende Maschinenteile, thermostabile Maschinentische
  • Medizintechnik: Röntgentransparente Liegen, Prothesen (Gehhilfen, außerhalb Körper)
  • Messtechnik: Thermostabile Geräteträger, optische Bänke, Gehäuse

Fazit

Von der Raumfahrt über den Bootsbau bis hin zur Messtechnik, das Autoklaven-Prepreg-Verfahren wird aufgrund seiner zahlreichen Vorzüge in beinahe allen Branchen eingesetzt. So lassen sich Produkte erzeugen, welche zugleich Anforderungen an herausstechende Optik, ausgezeichnete mechanische und thermische Eigenschaften und komplexe Bauteilgeometrien besitzen.

 

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carbon carbontechnik prepreg

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