Verbundwerkstoffe Belastungsorientierte Faserverbundwerkstoffe mittels PCP-Verfahren

Rasante Beschleunigungen und abruptes Stoppen mit großer Wiederholgenauigkeit bedeuten höchste Beanspruchung für Maschinenteile. Derartige Anforderungen können nur hochfeste Bauelemente mit kleinen Massenträgheitsmomenten erfüllen. Einen Werkstoff für solche hochstabilen Leichtbaustrukturen bietet faigle Kunststoffe mit IGOREX. Er wird durch eine belastungsorientierte Endlosfaserverstärkung im PCP-Verfahren (Precision Composite Pressing) hergestellt.

Anbieter zum Thema

GGB Heilbronn GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

faigle Kunststoffe GmbH

Die Natur erfüllt die Anforderungen hoher Beschleunigungen und geringer Massenträgheiten schon lange. Eines der herausragenden Beispiele ist der Bewegungs- und Sprungapparat des Flohs: Auf die Größe des Menschen bezogen springt er aus dem Stand 300 Meter hoch und übersteht die anschließende Landung völlig unbeschadet. Unsere Technik ist noch nicht so weit, aber wir sind auf gutem Wege:

Bei der hier vorgestellten Variante des PCP-Verfahrens (Precision Composite Pressing) wird aus einem Hybridgarn aus hochfesten, endlosen Verstärkungsfasern und Fasern aus thermoplastischem Kunststoff in einem Stickprozess ein Rohling hergestellt. Hierbei werden die Fasern so abgelegt, dass sie für den jeweiligen Belastungsfall einen optimalen Verstärkungseffekt bringen. Dieser kompakte und exakt auf die Belastung ausgelegte Strickrohling wird in ein beheiztes Presswerkzeug eingelegt, bis zum Schmelzpunkt des thermoplastischen Garnbestandteils erhitzt und dann zu einem fertigen Faserverbund-Bauteil verpresst. Die thermoplastischen Fasern des Hybridgarns bilden dabei die Matrix des fertigen Bauteils. Da die Fasern beim Verpressen ihre Orientierung beibehalten, erhält es genau die vom Konstrukteur vorgesehenen Festigkeitseigenschaften. Als Verstärkungsfaser dient derzeit meist Kohlefaser, während die Matrix zum Beispiel aus Polyamid (PA12) besteht, das sich in diesem Zusammenhang vor allem durch eine sehr gute Schlagzähigkeit auszeichnet. Außer dieser Materialkombination sind auch Glas- oder Aramidfasern möglich. Bei den Matrixwerkstoffen steht eine Vielzahl von Thermoplasten zur Auswahl, darunter auch Polyetheretherketon (PEEK).

Besonders bei Funktionsteilen, die mit minimalem Gewicht höchste Stabilität erreichen müssen, bedeuten nachträglich angebrachte Bohrungen, Ausnehmungen oder abrupte Änderungen des Querschnitts eine empfindliche Schwächung. Denn genau an diesen geschwächten Stellen konzentrieren sich oft die Kraftlinien und somit die auftretenden Spannungen. Hier bietet IGOREX mit bionischer Faserverstärkung die Lösung, denn seine Verstärkungsfasern können unterbrechungslos um diese Schwachstellen herum geführt werden. Auf diese Weise befinden sich in diesen engeren Bereichen ebenso viele Verstärkungsfasern wie dort wo der volle Querschnitt zur Verfügung steht.

Auch für Großserien geeignet

Das Stickverfahren bietet große Freiheiten beim Design der Faseranordnung. Durch unterschiedliche Lagenanzahl der Hybridfasern können je nach Einsatzanforderungen lokal unterschiedliche Wanddicken des Bauteils aufgebaut werden. Und da durch die Präzision des Pressverfahrens in der Regel nachträgliche zerspanende Bearbeitungen überflüssig sind, werden die Verstärkungsfasern auch nachträglich nicht verletzt. Damit erfolgt ein ununterbrochener Kraftfluss in einem optimal für die auftretende Belastung konzipierten Bauteil. Durch die Möglichkeiten moderner Sticktechnologie sind auch komplexe, filigrane Faseranordnungen kostengünstig herstellbar. Das PCP-Verfahren mit bionischer Faserverstärkung eignet sich damit hervorragend für die wirtschaftliche Produktion von Serienbauteilen auch in sehr großen Stückzahlen.

Gestaltungsfreiheit für den Designer

Mit dem PCP-Verfahren (Precision Composite Pressing) konnten bisher Bauteile mit entweder einer wirren Richtungsverteilung der Verstärkungsfasern oder einem lagenweisen Aufbau aus unidirektionalen Tapes mit definierten Faserrichtungen hergestellt werden.

Auf Hochleistungs-Stickmaschinen erhalten nun auch gepresste Bauteile die vom Konstrukteur vorgegebene Faserorientierung in Belastungsrichtung. Die Verstärkungsfasern der Bauteile nehmen nun auch bei höchst kompakter Auslegung die vorgesehenen Belastungen auf. Gebogene Formausprägungen entstehen nun schon im Presswerkzeug und müssen nicht mehr durch nachträgliches Biegen erzeugt werden. Die Fasern sind daher auch im Bereich von Biegungen gestreckt und damit in der Lage, Kräfte optimal aufzunehmen.

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