Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schnelle und energieeffiziente Härtung von Verbundwerkstoffen

Faserverbundwerkstoffe (FVW) sind Werkstoffe, die im Allgem. aus einer bettenden Matrix (Harze, Thermoplaste) und verstärkenden Fasern (Carbon, Glas, Basalt) bestehen. FVW spielen eine wichtige Rolle in unserem Leben, wobei das Einsatzspektrum von Sportgeräten bis hin zu Bauwerken, Automobilen, Booten sowie der Luft- und Raumfahrt reicht. Bei der Herstellung von FVW mit Harzen als Matrix ist die Aushärtung der zeitaufwändigste Schritt. Damit verbunden sind lange Prozesszeiten und niedrige Produktionsraten. Die Aushärtung der FVW wird üblicherweise bei Temperaturen zwischen 70 °C und 180 °C durchgeführt. Diese beiden Faktoren führen zu hohen Produktionskosten und die Hersteller von FVW suchen nach energieeffizienten Alternativen, welche die Prozesszeiten wesentlich verkürzen.

Im Rahmen des LEDcure-Projektes (89 EBR/1) wurde gezeigt, dass FVW aus Glasfasermaterialien aufgrund ihrer UV-transparenz schnell und energieeffizient mittels UV-LED-vernetzender Systeme gehärtet werden können. Da jedoch ein großer Anteil der Verbundwerkstoffe aus Carbon, Aramid oder Basalt hergestellt werden, besteht großer Forschungsbedarf um die UV-Technologie auch zur Härtung dieser Werkstoffe nutzen zu können.

Ziel des Projekts ist die Erarbeitung technologischer Lösungen für die schnelle und energieeffiziente Härtung von FVW mit UV-intransparenten Fasermaterialien. Dabei sollen zunächst Hybridflächengebilde aus Carbon und Glasfasern entwickelt werden, welche anschließend mit verschiedenen UV-vernetzbaren Harzen imprägniert und mittels UV-Strahlung gehärtet werden. Es werden radikalisch und kationisch vernetzende Formulierungen entwickelt, aber auch Dual-cure-Systeme getestet. Zur verbesserten Vernetzung werden diverse UV-lichtleitende Additive in die Harze eingearbeitet.

Den KMU wird eine innovative Technologie zur Herstellung von FVW angeboten, mit der die Härtezeiten von mehreren Stunden auf wenige Minuten verkürzt werden können und bis zu 80 % Energie eingespart werden kann.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des CORNET-Projektes „Fast and Energy Efficient Curing of Composites“ war die schnelle und energieeffiziente Aushärtung von Faserverbundwerkstoffen mit UV-intransparenten Verstärkungsfasern mittels Strahlungsenergie. Der Aufgabenschwerpunkt des STFI lag im Bereich der UV-Strahlungshärtung von Kompositmaterialien auf Basis von Glas-/Carbonfaserhybridmaterialien. Als energieeffiziente und umweltfreundliche Alternative zu den Quecksilbermitteldruckstrahlern, wurde ein UV-LED-Strahler eingesetzt. Es konnten zum einen verschieden Hybridmaterialien und zum anderen UV-vernetzbare Formulierungen entwickelt werden. Beide wurden zu Kompositmaterialien kombiniert und auf ihre Eignung für den Faserverbundwerkstoffbereich getestet.

Im Rahmen des Projektes konnten vernadelte Glas-/Recyclingcarbonfaservliesstoffe (Faservliesstoffe) mit unterschiedlichen Carbonfaseranteilen zwischen 0 % und 90 % hergestellt werden. Zusammen mit den entwickelten Formulierungen konnten einlagige Faserverbundmaterialien aus reinem Glasfaservliesstoff sowie den Hybridvliesstoffen mit 20 % und 40 % Carbonfaseranteil mittels UV-Strahlung gehärtet werden. Die Gesamtaushärtezeit einer 30 cm x 30 cm großen Verbundplatte belief sich dabei auf nur 3 min. Im Gegensatz dazu dauerte die Vernetzung der Referenzprobe mit einem thermisch aushärtenden Harz 32 Stunden.

Als potenzielle Einsatzgebiete werden die Kleinteil- und individuelle Einzelteilfertigung gesehen. Bevorzugt sind dabei Verfahren der Handlamination und Vakuumsacktechnik. Anwendungen werden auch dort gesehen, wo die Herstellung der Faserverbundwerkstoffe sehr viel Energie benötigt (Aushärtung bei sehr hohen Temperaturen) und wenig Platz vorhanden ist. Große und sperrige Faserverbundbauteile könnten direkt am Einsatzort mittels mobiler UV-Strahler gefertigt werden. Dies würde z. T. hohe Transportkosten stark reduzieren.