Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines flexibel einsetzbaren Reparaturverfahrens für die lokale In-situ-Instandsetzung von CFK-Bauteilen mittels textiler Patches

Die Entwicklung und Nutzung von Faserkunststoffverbunden, wie CFK bzw. GFK, für Leichtbauanwendungen, ist eine wichtige Voraussetzung für die Wettbewerbsfähigkeit deutscher KMU.

Der Einsatz anforderungsgerechter Werkstoffe, agiler Fertigungsprozesse und energieeffizienter Produkte ist für die Entwicklung neuer Hightech-Systeme unerlässlich. Bisher nur unzureichend gelöst ist die Reparatur von CFK-Bauteilen, die fertigungsbedingt oder nach einem Schadensereignis Defekte aufweisen, wie lokale Trockenstellen oder Matrix- bzw. Faserschäden. Mit bisherigen Ansätzen ist die lastgerechte Reparatur der Fehlstellen oft nicht oder nur durch materialineffizientes Entfernen der Schadstelle und Aufbringen von Zusatzmaterialien möglich und stellt die KMU entlang der gesamten FKV-Prozesskette vor große Herausforderungen. Schadhafte Bauteile werden daher oft durch neue ersetzt. Repariert werden meist nur Bauteile ohne strukturelle Bedeutung. Grundlegende Untersuchungen zeigen das Potential zur materialeffizienten Reparatur struktureller Bauteile mit einer neuen, am ITM entwickelten und von der TUD patentierten innovativen Reparaturmethode bei nahezu vollständiger Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften. Dazu werden Metall-Oxid-Halbleiter oberflächig auf die CFK aufgebracht und durch Energieeintrag aktiviert. Dadurch wird eine Kettenreaktion gestartet, welche die Matrix lokal vollständig abbaut und die Faserstruktur freigelegt. Sofern nötig werden die geschädigten Fasern entnommen und durch simulationsgestützt angepasste textile Patches ersetzt, sowie in einem finalen Konsolidierprozess mit neuer Matrix aufgefüllt. Die besondere Herausforderung und der hohe Forschungsbedarf besteht in der Überführung der vorliegenden Erkenntnisse in ein simulationsgestütztes, kostengünstiges, von der Bauteilgeometrie unabhängiges und für KMU gut umsetzbares Reparaturverfahren. Damit sollen KMU CFK-Bauteile reparieren und damit ihre Marktposition sichern können.

Innovationspotential und wirtschaftliche Relevanz des Vorhabens sind als sehr hoch einzuschätzen, da eine Vielzahl von Branchen von der Entwicklung eines kostengünstigen Reparaturverfahrens profitieren werden. Der Nutzerkreis besteht u.a. aus den von KMU geprägten Zulieferern der Automobil- und Luftfahrtindustrie, Textilhalbzeugherstellern und Textilmaschinenbauern.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des war die Entwicklung einer flexibel einsetzbaren Reparaturmethode für defekte räumliche Faserverbundstrukturen durch gezielte lokale Matrixentfernung, Applikation eines simulationsgestützt lastangepasst ausgelegten textilen Patches und anschließender Wiederauffüllung mit Matrix sowie Konsolidierung. Die entwickelte Reparaturprozesskette basiert auf den folgenden drei grundlegenden Prozessschritten:

• der simulativen Auslegung von Reparaturbereich und textilem Reparaturpatch,

• der UV-strahlungsbasierten Freilegung der Fasern im Reparaturbereich sowie der Reinigung, Oberflächenaktivierung und gleichzeitiger Wiederbeschlichtung der freigelegten Fasern mit Hilfe einer Plasmafackel,

• der Applikation eines auf Basis der Simulationsdaten entwickelten textilen 2D-Patches in die Reparaturstelle sowie der Auffüllung der Reparaturstelle im entwickelten Reinfiltrationsverfahren.

Im Rahmen der Projektbearbeitung wurden die Untersuchungen an vier in der Komplexität gesteigerten Funktionsmustern durchgeführt und an zwei Technologiedemonstratorbauteilen erprobt. Zusätzlich dazu wurde ein KMU-gerechter Leitfaden zur zeitnahen Umsetzung der Ergebnisse im Unternehmen angefertigt. Mit dem entwickelten Verfahren wurden bei gleichbleibender Bauteildicke eine wiedererlangte Tragfähigkeit in bauteilspezifischen Biegeversuchen an einfach gekrümmten Proben von über 90 % erreicht. Die Kosten konnten um bis zu 80 % im Vergleich zum Bauteilaustausch gesenkt werden. Die Verlängerung der Lebensdauer von energetisch aufwändig hergestellten beschädigten Faserverbundbauteilen verbessert z. B. deren CO₂-Bilanz.