CD-Labor für Hocheffiziente Composite Verarbeitung

Composite sind Kunststoffe, die die hohe Festigkeit von Verstärkungsfasern mit der Formbarkeit und Leichtigkeit einer Polymer-Matrix kombinieren. Ihre Eigenschaften hängen entscheidend vom Produktionsprozess ab, der hier optimiert werden soll.

Die Kombination von Leichtigkeit und Belastbarkeit machen die Verbundwerkstoffe, auch Composite genannt, für die gesamte Mobilitätsbranche und insbesondere für die Luftfahrt interessant. Allerdings sind die Vorgänge bei der Herstellung dieser Materialien komplex, Eigenspannungen und Deformationen können auftreten und müssen vermieden werden. Im Design neuer Materialien ist die Prozesssimulation daher ein entscheidender Bestandteil.

Anders als bei den meisten anderen Materialien werden Verbundwerkstoffe erst bei der Herstellung des gesamten Bauteils erzeugt. So zum Beispiel werden ganze Rumpfsegmente von Flugzeugen mit einem Durchmesser von etwa 9 Metern mit einer einzigen „Form“, Werkzeug genannt, produziert: Die mit Kunststoff-Harz imprägnierten Verstärkungsfasern werden in der Form korrekt ausgerichtet und im Anschluss noch fehlerfrei ausgehärtet.

Dieser Prozess ist sehr aufwendig und kostenintensiv, es ist daher wichtig, ihn so zu gestalten, dass am Ende zuverlässig gute Bauteile stehen: Ausschuss soll jedenfalls vermieden werden, es geht aber auch um die Optimierung des Prozesses zur Senkung der Herstellungskosten.

Dazu befasst sich das Forschungsteam zunächst mit dem Verhalten der Verstärkungsfasern und der Polymer-Harze während der Herstellung. Hier geht es um Eigenschaften wie die Verdichtung (Kompaktierung), die Verformbarkeit (Drapierfähigkeit) und die Durchlässigkeit gegenüber Flüssigkeiten und Gasen (Permeabilität). Diese Eigen-schaften sind abhängig von Temperatur und Druck sowie der Zeit, die für das Aushärten gegeben wird. Wie diese Prozessvariablen optimal eingestellt werden können, ist eines der Forschungsthemen.

Forschungsbedarf besteht auch in Bezug auf Fertigungs-techniken für die exakte Positionierung und Orientierung der verstärkenden Fasern. Denn bereits geringe Abweichungen von der gewünschten Ausrichtung führen zu einer Änderung der Materialeigenschaften, zum Beispiel einer Reduktion der Steifigkeit.

Um laufende Prozesse kontrollieren zu können, wird auch an Messmethoden dafür geforscht, was in der Form konkret vorgeht: In welcher Geschwindigkeit füllt das Harz die Form aus, härtet es richtig (z.B. ohne Lufteinschlüsse) aus, wie ändert sich die Permeabilität der Fasern während des Prozesses, etc.

Auch ökonomische Aspekte werden berücksichtigt: Ein neues Tool zur Kostenmodellierung soll bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung die Kosten der Produktion vorhersagen können. Dies ist wichtig, da davon die Entscheidung abhängt, ob in die Entwicklung eines Verbundwerkstoffes investiert wird, oder doch lieber mit Metall gearbeitet wird.