CFK: Faserverstärkte Kunststoffe kostengünstig und komplex formbar

Faserverstärkte Kunststoffe sind leicht und stabil. Doch ihre Herstellung ist aufwändig. Das heißt: Entsprechende Bauteile, etwa für die Autokarosserie, sind teuer. Ein neuer Produktionsweg, den Fraunhofer-Forscher entwickelten, senkt die Kosten nun erheblich, zudem verleiht er den Designern mehr Freiheiten in punkto Bauteil-Geometrie.

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CFK-Bauteil – vorne rund und hinten eckig, gefertigt mit einer Pul-Form-Anlage. Foto: Fraunhofer ICT

Autos aus Kunststoff? Noch vor einigen Jahren hätten viele Menschen verständnislos den Kopf geschüttelt. Mittlerweile jedoch stehen Kunststoffe im Auto- und Flugzeugbau hoch im Kurs. Denn sie bringen deutlich weniger Gewicht auf die Waage als Metalle, sind sogar dreißig Prozent leichter als Aluminium. Eingebettete Fasern verleihen dem Material die nötige Stabilität. Bislang allerdings finden sich Bauteile aus solchen kohlenfaserverstärkten Kunststoffen, kurz CFK, häufig nur in Rennwägen und Fahrzeugen der Oberklasse. Für Mittelklassefahrzeuge und Kompaktwagen sind sie schlicht und einfach zu teuer.

Geringere Kosten, flexible Geometrie

Das könnte sich jedoch künftig ändern: Mit dem neuen Verfahren Pul-Form lassen sich Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff wesentlich kostengünstiger produzieren. Entwickelt haben es Forscher am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT-FIL in Augsburg – Hand in Hand mit Partnern aus der Industrie und Forschung. Der Clou liegt in der Kombination verschiedener Herstellungsverfahren. „Mit dem Pul-Form-Verfahren haben wir nur halb so viel Verschnitt wie bei herkömmlichen Methoden. Zudem sind die Produktionsanlagen etwa fünfzig Prozent kostengünstiger“, sagt Renato Bezerra, Projektleiter des Verbundvorhabens. „Auch der geringe Arbeitsaufwand schlägt sich im Preis nieder: Der gesamte Herstellungsprozess läuft automatisch.“ Ein weiterer Vorteil: Die Bauteil-Designer erhalten durch die neue Produktionsart deutlich mehr Freiheiten. Es lassen sich selbst komplex geformte CFK-Hohlbauteile herstellen, die bisher nicht – oder nur unter unverhältnismäßig großem Aufwand – produziert werden konnten.

Pultrusion trifft Blasumformung

Die Verfahren, die in Pul-Form zum Einsatz kommen, sind etabliert: Das Pultrusionsverfahren und das Blasumformen. Das Pultrusionsverfahren ist die gängige Produktionsweise für Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff. Das Prinzip: Man zieht die Fasern kontinuierlich aus der Spule und legt sie in die Profilkontur – also quasi in das Werkzeug. Anschließend wird das Werkzeug durch ein offenes Tränkbad mit flüssigem Harz gezogen. Sind die Fasern gänzlich mit Harz umschlossen, kommt das Material in ein beheiztes vorgebendes Werkzeug. Durch die Wärme vernetzt sich das Harz, das Bauteil härtet aus. Komplex geformte Bauteile allerdings lassen sich auf diese Weise nicht herstellen.

Bei Pul-Form dagegen setzen die Forscher nicht auf normale Pultrusion, sondern auf Flechtpultrusion. Die Vorrichtung verwebt die trockenen Fasern bereits zu einem Geflecht. „Somit können wir die Halbzeuge nahtlos herstellen und die Qualität steigern“, erläutert Bezerra. Ein weiterer Unterschied: Die Wissenschaftler nutzen keine offene Tränkungsmethode, sondern spritzen das Harz in das Werkzeug ein. Sie imprägnieren die Fasern also auf geschlossene Weise – und verbrauchen somit weniger Material. Auch beim Harz selbst gehen die Forscher neue Wege: Sie setzen auf ein spezielles zweistufiges Harzsystem. Das Werkzeug beheizen sie auf etwa achtzig bis hundert Grad Celsius. Das Harz vernetzt sich also bereits im Werkzeug und sorgt dafür, dass die einzelnen Fasern nicht mehr verrutschen können. Das entstehende Bauteil ist allerdings nicht komplett ausgehärtet, vielmehr ist es gummiartig und flexibel.

Diesen „Vorformling“ formen die Wissenschaftler nun in einem Blasformprozess um. Das Verfahren an sich ist ebenfalls etabliert, es wurde bislang allerdings nur selten für CFK-Kunststoffe angewendet. Das Prinzip: Ein Roboter legt das gummiartige hohle Bauteil in eine Metallform. In dem Bauteil steckt ein Blasschlauch, in den nun Druckluft strömt. Der Schlauch drückt den Vorformling also von Innen gegen die Werkzeugwand – er „bläst“ ihn quasi auf, bis er die Geometrie der Metallform angenommen hat. Eine Temperatur von über hundert Grad Celsius sorgt dafür, dass der Harz gänzlich aushärtet und seine Stabilität erhält.

Letzte Aktualisierung: 19.07.2017