Compositetechnik

Composites sind Verbundwerkstoffe, die durch die Kombination von zwei oder mehr Materialien entstehen. Sie bestehen in der Regel aus einer Matrix, die als Trägermaterial dient und Verstärkungsfasern, die dem Werkstoff Festigkeit und Steifigkeit verleihen. Die Matrix kann aus verschiedenen Harzen, Polymeren, aber auch aus Silikaten oder Keramik  bestehen, während als Verstärkungselemente häufig Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern eingesetzt werden. Durch die Kombination unterschiedlicher Materialien kann die Leistungsfähigkeit von Produkten verbessert, eine Gewichtsreduktion erreicht und gleichzeitig die gewünschten mechanischen, thermischen oder chemischen Eigenschaften gewährleistet werden. Im Hinblick auf den Anwendungskontext finden sich Composite unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Bauwesen, der Elektronik und der Medizintechnik wieder.

Die Vorteile von Composite-Materialien sind vielfältig und machen sie zu einer attraktiven Wahl für zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen. Folgende Vorteile resultieren aus der Nutzung von Verbundwerkstoffen:

Leichtbau und Energieeffizienz: Durch den Einsatz von Composites in Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und anderen Transportmitteln kann das Gesamtgewicht reduziert werden. Dadurch werden Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen verringert.

Fortschrittliche Konstruktionen: Composites ermöglichen die Gestaltung und Herstellung komplexer Formen und Strukturen, die mit herkömmlichen Materialien wie Metall nicht möglich wären. Dies führt zu innovativen Designs, besseren Leistungen und optimierter Funktionalität in verschiedenen Bereichen wie im Maschinenbau und der Luftfahrt.

Korrosionsbeständigkeit: Composites sind unempfindlich gegenüber Korrosion und chemischen Einflüssen. Im Vergleich zu traditionellen Materialien wie Stahl oder Aluminium benötigen sie weniger Wartung und haben eine längere Lebensdauer, was zu Kosteneinsparungen führt.

Nachhaltigkeit: Composites bieten die Möglichkeit, nachhaltigere Produkte zu entwickeln. Durch Gewichtsreduktion in Fahrzeugen und Flugzeugen kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt und der CO2-Ausstoß verringert werden. Darüber hinaus lassen sich Composites auch recyceln und wiederverwenden.

Verbesserte Leistung und Sicherheit: Composites bieten außergewöhnliche Festigkeit und Steifigkeit. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen erhöhte Festigkeit und verbesserte Sicherheit erforderlich sind, wie beispielsweise Crashelemente im Fahrzeugbau.

Zur Herstellung von Composites existieren verschiedene Fertigungstechnologien

Von traditionellen Laminierverfahren über klassische Injektions- oder Pultrusionsverfahren bis zu automatisierten Tape-Legeverfahren Automated Fiber Placement (AFP), Automated Tape Laying (ATL) und Fiber Patch Placement (FPP), gibt es zahlreiche Optionen, um den Anforderungen verschiedener Branchen gerecht zu werden. Die Auswahl der geeigneten Fertigungstechnologie spielt eine entscheidende Rolle bei der Realisierung von Composite-Materialien mit den gewünschten Eigenschaften und der Erfüllung spezifischer Anwendungsanforderungen.

Beim Handlaminieren werden mehrere Lagen von Faserverstärkungen mit Harz getränkt und übereinander drapiert. Anschließend erfolgt ein Vakuumaufbau, durch den überschüssiges Harz ausgetragen wird und der die Formstabilität während des Aushärtens garantiert. Danach erfolgt die Aushärtung unter Unterdruck und Hitze in einem Ofen. Alternativ kann auch Prepreg verwendet werden. Hierbei handelt es sich um ein vorimprägniertes Faserhalbzeug, das ein manuelles Einstreichen mit dem Matrixmaterial überflüssig macht. Aber auch in diesem Fall ist ein Vakuumaufbau für das Aushärten in einem Autoklaven oder Ofen (bei Out-of-Autoclave Prepreg) notwendig.

Injektions- oder auch Infiltrationsverfahren setzen auf die Verwendung trockener Halbzeuge aus denen komplexe Preforms gefertigt werden. Die Preforms werden anschließend in geschlossene Werkzeuge eingelegt und mit Harz injiziert (z. B. Resin Transfer Moulding). Alternativ werden die Preforms in einen Vakuumsack eingepackt und mit einem Infiltrationsaufbau verbunden. Dabei wird über Schläuche, die mit einer Vakuumpumpe verbunden sind, ein Unterdurck aufgebaut, über den das flüssige Harz über eine Zuleitung in die Preform gesaugt wird, bis diese gefüllt ist. Typische Vertreter sind das Vacuum Assisted Resin Infusion Verfahren (VARI) oder der membranunterstützte Vacuum Assisted Process (VAP®).

Neben diesen Verfahren liegen die Schwerpunkte des Fraunhofer IGCV vor allem in der Pultrusion, dem Automated Fiber Placement, dem Automated Tape Laying und dem Fiber Patch Placement.

Die Fertigungstechnologie der Pultrusion ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen. Dabei werden Fasern durch ein Harzbad und anschließend durch ein beheiztes Formwerkzeug gezogen und zu Profilen in einem kontinuierlichen Prozess ausgehärtet.

Das Automated Fiber Placement (AFP) ist ein robotergestütztes Verfahren, bei dem Tows (schmale definiert zugeschnittene Faserhalbzeuge) in unterschiedlicher Ausprägung (Towpreg, Prepreg, trockene oder Tows mit thermoplastischer Matrix) verwendet werden. Der Roboter legt die Tows gezielt auf einem Legewerkzeug ab, wobei die Tows über eine Rolle, welche am Roboterkopf befestigt ist, auf das Ablegewerkzeug angedrückt werden. Dies ermöglicht die Fertigung von komplexen und endkontournahmen Preforms, die anschließend je nach Material noch im Autoklaven ausgehärtet, in der Presse konsolidiert oder mit Harz injiziiert und ausgehärtet werden müssen.
Ähnlich zu diesem Verfahren ist das Automated Tape Laying (ATL), das breitere Tapes anstatt Tows verwendet. Hiermit lassen sich auf Kosten geringerer Komplexität höhere Legeraten realisieren. Beim Fiber Patch Placement (FPP) werden statt Rollenmaterial nur sogenannte Patches verwendet. Diese sind in ihrer Länge auf den Greifer am Legekopf der Fiber Patch Placement Anlage beschränkt, ermöglichen aber die Fertigung sehr komplexer Preforms, die mit den vorherigen Anlagen nicht realisiert werden können.

Im Rahmen der Herstellung von Composites spielen zahlreiche Parameter, wie z. B. Materialauswahl und Materialeigenschaften eine Rolle. Themen wie Prüftechnik, die Analyse relevanter Daten (Effizienz und Bilanzierung) sowie Studien zur Fertigungs- und Produktionsplanung sind daher ebenso ein zentraler Bestandteil unserer Forschungsarbeit im Bereich Composites.

Im Bereich Effizienz und Bilanzierung von Composite-Materialien wird daran gearbeitet, eine ökobilanzielle Bewertung von Hochleistungs-Faserverbundstrukturen zu ermöglichen. Dabei werden Modelle entwickelt, um den energie- und zeitabhängigen Bedarf für die Herstellung von Bauteilen abzuschätzen. Die ökologische und ökonomische Bewertung verschiedener Fertigungsprozessketten dient dazu, nachhaltige und wirtschaftlich sinnvolle Lösungen zu finden.

Insgesamt konzentriert sich die Forschung im Bereich Composites darauf, die Eigenschaften und Prozesse dieser vielseitigen Materialien weiter zu optimieren, um ihre Anwendbarkeit in diversen Industriezweigen zu erweitern. Dazu betreiben wir modernste Forschungsinfrastrukturen, darunter Labore und Anlagen zur Prozesssimulation, Prototypenfertigung und Charakterisierung von Composite-Materialien – ein wichtiger Beitrag zum Testen und Optimieren der Fertigungstechnologien.

Infomieren Sie sich hier im Detail über unsere Forschungsarbeit anhand ausgewählter Referenzprojekte im Bereich Composites.

Unsere Expert:innen arbeiten intensiv daran, innovative Recyclingverfahren für Composite-Materialien zu erforschen und weiterzuentwickeln. Unser Ziel ist es, den Lebenszyklus von Composite-Materialien zu verlängern und ihre Umweltauswirkungen zu reduzieren. In diesem Zusammenhang spielt das Thema Circular Economy eine wichtige Rolle. Denn durch das Recycling von Composite-Materialien kann ein geschlossener Kreislauf geschaffen werden, in dem Abfälle zu neuen Rohstoffen und Produkten werden. Dies fördert die Nachhaltigkeit und trägt zu einer ressourcenschonenden Wirtschaft bei:

• Effiziente, hochwertige Separation von Fasern und Matrix ohne Materialdegradation
• Einzelfasercharakterisierung
• Faseraufbereitung, Oberflächenfunktionalisierung und Neubeschichtung
• Textile Halbzeuge aus Sekundärfasern
• Debond on Demand
• Design to Recycling

Mehr Info zum Composite Recycling | Kontakt: Jakob Wölling

Wir setzen uns auch dafür ein, das Bewusstsein für die Bedeutung des Composite-Recyclings in der Industrie und der Gesellschaft zu schärfen. Deshalb organisieren wir Weiterbildungsmöglichkeiten, um Wissen und Informationen über nachhaltiges Composite-Recycling zu verbreiten und Partnerschaften mit Industriepartnern und Forschungseinrichtungen aufzubauen.

Mehr Info zu Weiterbildung im Bereich Composites!