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So entstehen Carbon-Leichtbauteile aus Prepregs

by Markus Reitbauer

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Carbon ist ohne Frage ein Werkstoff mit Zukunft. Während Motorsport und Automobil-Industrie schon seit Jahrzehnten auf die Materialvorteile von Composites setzen, schöpfen Industrie und Wehrtechnik seine Potential allerdings noch nicht zur Gänze aus.

Neben Mythen über den Werkstoff Carbon sorgt auch mangelndes Wissen über den Herstellungsprozess für Zurückhaltung, wenn es um den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen in der Prototypen- und Kleinserienfertigung geht.

In diesem Beitrag erläutern wir deshalb, wie die Fertigung von hochqualitativen Carbon-Leichtbauteilen aus Faser-Matrix-Halbzeugen (Prepreg) abläuft und worauf es in den einzelnen Prozessschritten ankommt.

Schritt 1: Konzeption

Der Einsatz eines hochinnovativen Werkstoffs wie Carbon erfordert sorgfältige Planung und Know How, denn Funktion und Design des Bauteils gilt es schon vor der finalen Konstruktion zu hinterfragen und detailliert zu besprechen. Nur so ist ein verfahrensgerechtes Design von Werkzeug und Bauteil zu erzielen.

Liegen die Konstruktionsdaten vor, sollten Sie mit Ihrem Produktionspartner außerdem einen Blick auf die geplanten Stückzahlen werfen, um beim Werkzeugbau eine kosteneffiziente Entscheidung zu treffen: Denn die optimale Abstimmung der Werkzeug-Standzeiten auf die geforderten Herstellungsmengen ist wesentlich, um Ihre Aufwände gering zu halten.

Schritt 2: Werkzeugkonstruktion und -fertigung

Je nach gewählter Ausführung ist die Konstruktion für ein Urmodell oder ein Direktwerkzeug zu erstellen.

Liegen die Konstruktionsdaten vor, erfolgt schließlich die Übergabe ans Fräszentrum, wo die Formen aus den gewählten Materialien (z.B. Aluminium, ABS, Epoxy- oder PU-Platten bzw. Carbon) gefertigt werden. Arbeiten Sie mit Direktwerkzeugen können die Formen sofort an die Bauteilfertigung übergeben werden. Nutzen Sie Urmodelle, sind die Carbonwerkzeuge in weiterer Folge noch abzuziehen.

Carbon-Werkzeugbau

Besonders vorteilhaft: In-House Werkzeugbau, zu Sicherstellung der Prozesssicherheit.

Schritt 3: Werkzeugvorbehandlung

Um eine exakte Oberflächenqualität und einfaches Entformen der produzierten Bauteile zu gewährleisten, sind die Werkzeuge vor dem Laminiervorgang mittels spezifischer Beschichtungen und Trennsysteme zu behandeln.

Schritt 4: Laminieren

Sind die Werkzeuge behandelt, können die Prepreg-Matten gemäß Berechnungen und individuellem Materiallegeplan verarbeitet werden. Wie dieser Prozessschritt erfolgt, ist genauestens auf Anforderungen, Einsatzbereich und Verwendungszweck des jeweiligen Bauteils abzustimmen: Denn grundsätzlich ist die Arbeit mit CNC-Cuttern ebenso möglich wie eine rein manuelle Verarbeitung.

Jedenfalls in Handarbeit erfolgt das sogenannte Laminieren – die Einlage der Prepreg-Matten in die zuvor gefertigten Werkzeugformen. Welcher Faserverbundwerkstoff (Carbon, Glasfaser, Aramid, Zylon, Dyneema oder Basalt) dabei zum Einsatz kommt, klären Sie mit Ihrem Produktionspartner in der Konzeptionsphase anhand der Anforderungen, die Sie an den Bauteil stellen.

Schritt 5: Aushärtung

Ist der Laminier-Prozess abgeschlossen, werden die Bauteile in einen Vakuumsack verpackt und im Hochdruckofen – dem sogenannten Autoklav – ausgehärtet. Dadurch entstehen hochqualitative Leichtbau-Komponenten mit hoher thermischer Belastbarkeit.

Schritt 6: Entformung der Carbon-Teile

Nach der Aushärtung im Autoklav und einer anschließenden Abkühlphase erfolgt die Entformung der Bauteile aus den Werkzeugen. Anschließend werden die hergestellten Komponenten zur weiteren Verarbeitung und Veredelung übergeben, während die Vorbereitung der Formen auf einen (etwaigen) weiteren Produktionszyklus vonstatten geht.

Schritt 7: Bearbeitung der Carbon-Komponenten

Leichtbauteile aus Composites punkten mit formfallender Fertigung: Dementsprechend niedrig können die Aufwände für die Nachbearbeitung gehalten werden.

Ihr Finish erhalten die Carbon-Komponenten (je nach Stückzahl) mittels Handbeschnitt oder CNC-Bearbeitung: Dabei können die Bauteile auf die finale Kontur beschnitten bzw. Löcher gebohrt und Ausnehmungen gefräst werden. Sollte Sie mit Inserts arbeiten, können die Komponenten mit Hochleistungskleber verklebt oder sofort montagefertig zusammengebaut werden.

Schritt 8: Qualitätskontrolle & Versand

Ein kompetenter und zuverlässiger Produktionspartner sorgt für eine umfassende Qualitätskontrolle, ehe gefertigte Bauteile das Haus verlassen: Bei Hintsteiner setzen wir auf hochpräzise 3D-Streifenlichtscanner und gleichen so Konstruktions- und Bauteildaten exakt miteinander ab.

Hat die Kontrolle ein einwandfreies Ergebnis bescheinigt, erfolgt die Reinigung der Bauteile und der Versand in sicherer Verpackung.

Fazit: Mit dem richtigen Partner steht Carbon-Fertigung nichts im Wege

Der Konstruktion- und Herstellungsprozess von Carbon-Leichtbauteilen erfordert zwar Know How, ist mit einem erfahrenen Produktionspartner aber risikofrei zu bewerkstelligen. Angesichts der zahlreichen Materialvorteile – insbesondere in Hinblick auf thermische und chemische Beständigkeit sowie Gewicht – macht es jedenfalls Sinn, Composites als Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen in Erwägung zu ziehen. Also vergessen Sie Ihre Vorbehalte und starten Sie ins Carbon-Zeitalter!

 

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Markus Reitbauer

Geschäftsführer Bereich Carbontechnik Carbon-Solutions Hintsteiner GmbH

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