Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neuartiger Pultrusionsprozess zur kontinuierlichen Herstellung duroplastischer Bewehrungsstäbe mit Helix-Profilierung

Bewehrungsstäbe aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) werden bevorzugt mittels Pultrusion gefertigt, da diese eine kontinuierliche Herstellung von FKV-Profilen ermöglicht. Dabei ist jedoch die für den Formschluss im Beton erforderliche Ausbildung einer Profilierung nur durch zusätzliche, nachgelagerte Fertigungsschritte möglich und mit Einschränkungen hinsichtlich Verstärkungswirkung und Materialeffizienz verbunden.

Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung eines einstufigen Pultrusions- und Umformprozesses (Helix-Pultrusion) zur wirtschaftlichen Herstellung profilierter FKV-Bewehrungsstäbe. Hierzu werden geeignete Matrixsysteme charakterisiert und in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Vernetzungsgrad ermittelt, in welchem Zustand das Verbundmaterial schädigungsfrei umgeformt werden kann. Auf Basis der Erkenntnisse wird ein Pultrusionswerkzeug entwickelt und die vorhandene Laboranlage modifiziert. Anschließend erfolgen die Fertigung profilierter FKV-Stäbe sowie deren Charakterisierung hinsichtlich Verbundqualität und mechanischer Eigenschaften. Mit der neuartigen Helix-Pultrusion können eine gesteigerte Material- und Fertigungseffizienz bei gleichzeitig verbesserter Anbindung an den Beton erreicht werden. Die Prozesstechnik zeichnet sich durch geringe Investitionskosten und eine hohe Flexibilität hinsichtlich zu fertigender Strukturen und verarbeitbarer Materialien aus, so dass KMU maßgeschneiderte Lösungen bei verbesserter Wirtschaftlichkeit anbieten können. Die mittels Helix-Pultrusion herstellbaren Profile sind neben dem Bauwesen auch in anderen Branchen einsetzbar, etwa den Bereichen Energietechnik, Maschinenbau und Transportwesen. Darüber hinaus können die erarbeiteten Kenntnisse auch auf die Herstellung weiterer Strukturen, wie Hohlprofile oder gekrümmte Stäbe, übertragen werden, woraus sich weitere Anwendungsszenarien ergeben. Neben FKV-Verarbeitern profitieren auch KMU in den Branchen Werkzeug- und Formenbau, Automatisierung und Sondermaschinenbau.

Ergebniszusammenfassung:

Etablierter Stahlbeton ermöglicht vielseitige Anwendungen im Bauwesen. Die Korrosionsanfälligkeit von Stahl führt jedoch aufgrund der notwendigen Kapselung zu höherem Materialeinsatz von Beton, als für das optimale Tragverhalten erforderlich ist. Zudem besteht Beton größtenteils aus dem ressourcenintensiv produzierten Zement. Mit Bewehrungsstäben aus faserverstärkten Kunststoffen (FKV) können dagegen ausreichend hohe Trageigenschaften ohne Korrosionsproblematik erreicht werden.

Vor dem Forschungsprojekt Pultix konnte erfolgreich eine Pultrusionsprozessentwicklung zur Realisierung von oberflächentopologierten Bewehrungsstäben mit thermoplastischen Kunststoffen in einem Prozessschritt mittels Helix-Pultrusion umgesetzt werden. Dieser Prozess sollte im Rahmen des Projekts Pultix als effizienter, einstufiger Pultrusionsprozess für duroplastische FKV-Bewehrungsstäbe mit prozessintegriert ausgebildeter Profilierung entwickelt werden.

Es wurden verschiedene Fertigungsvarianten erarbeitet und bewertet. Als Vorzugslösung wurde wiederum die Helix-Pultrusion identifiziert. Es folgten experimentelle Untersuchungen und Gestaltungsweisen zur Tränkung unterschiedlicher Fasern mit verschiedenen Matrixsystemen. Das Aushärteverhalten von Harzsystemen wurde charakterisiert sowie Umformmöglichkeiten von Reinharz- und Faserverbundproben bei unterschiedlichen Aushärtegraden und Verformungstemperaturen wurde untersucht. Mit diesen Kenntnissen wurde ein kombiniertes Formgebungs- und Aushärtungswerkzeug für die prozessintegrierte Ausbildung der Helixprofilierung entwickelt und in Betrieb genommen und die neuartige Fertigungstechnologie validiert. Zusätzlich wurden Möglichkeiten zum Biegen von teilkonsolidierten faserverstärkten duromeren Stäben untersucht und grundsätzliche Umformbarkeit gezeigt. Grundlagen im Bereich der duromeren Helixstabfertigung und Biegung von duromeren Stäben wurden erarbeitet, welche weiterentwickelt technische und wirtschaftliche Innovationen ermöglichen.