Faserverstärkter Kunststoff – das ist häufig gleichbedeutend mit faserverstärktem Epoxidharz. Faserverstärkte thermoplastische Kunststoffe lassen sich demgegenüber schnell, flexibel und sogar automatisiert verarbeiten.
Das Design des Bauteils aus faserverstärktem Thermoplast ist an eine GE90-Fan-Schaufel angelehnt.
Fraunhofer IPT
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) – englisch Polymer Matrix Composites (PMCs) – bestehen aus einer auf Polymeren basierenden Matrix, in die verschiedene Fasern, etwa aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid, eingebettet sind. Als technische Konstruktionswerkstoffe haben sie sich inzwischen überall dort etablieren können, wo es um die Herstellung besonders leichter Bauteile geht, somit besonders im Automobil- und Flugzeugbau. Neben gängigen glasfaserverstärkten Polymeren sind im Bereich der Luft- und Raumfahrt Kohlenstofffaserverstärkte PMCs die wichtigsten strukturellen Verbundwerkstoffe, so Krishan K. Chawla in "Composite Materials". Ab Seite 185 berichtet der Springer-Autor über anhaltende Bemühungen der Flugzeugindustrie, Faserverbundkunststoffe auch im kalten Teil von Triebwerken als Material etwa für Fanblades zu nutzen. So fertigt der Hersteller GE Fanschaufeln für das Triebwerk GEnx aus Verbundwerkstoffen mit Vorderkanten aus Titan. Neben Sicherheitsaspekten (zum Beispiel Vogelschlag) stehen bei diesem Anwendungsfall die Herstellprozesse der FVK auf dem Prüfstand.
Für Fanblades kommen in der Regel FVK mit harzbasierter Matrix zum Einsatz, die bei geringem Gewicht sehr stabil sind. Allerdings ist die Herstellung von Bauteilen aus diesen Werkstoffen sehr zeitaufwändig und teuer, da sie mehrere Stunden im Autoklav aushärten müssen. Eine detailreiche Übersicht über die verschiedenen Matrix- und Faserwerkstoffe geben die Autoren des Standardwerks "Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites" ab Seite 38. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen möchte nun die Fertigung von FVK-Fanblades noch weiter automatisieren und damit schneller und kostengünstiger machen. Dabei setzen die Materialentwickler nicht auf Epoxidharz-Werkstoffe, sondern auf kohlefaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe.
"Der faserverstärkte Thermoplast verfügt über gute Leichtbaueigenschaften bei gleichzeitig hervorragendem Impact-Verhalten, lässt sich aber gegenüber Epoxidharz-basierten Materialien schneller und flexibler automatisiert verarbeiten", sagt Henning Janssen, Leiter der Abteilung Faserverbund- und Lasersystemtechnik am Fraunhofer IPT. Thermoplaste seien bei Erwärmung formbar und ließen sich beim Umformen nachkonsolidieren. Nach der Abkühlung nehme der Thermoplast wieder seine ursprünglichen Materialeigenschaften an. "Harzbasierter Duroplast erhält hingegen erst unter Wärmeeinfluss in einem langwierigen chemischen Prozess die gewünschten Eigenschaften." In mehreren Versuchsreihen ist es seinem Team nach Angaben des IPT nun erstmals gelungen, zwei solcher Prozesse für die Fanblade-Fertigung miteinander zu verknüpfen: das vollautomatisierte Tapelegen und das Umformen.
Automatisiertes Tapelegen und Thermoforming
Mit einer vollautomatisierten Tapelege-Anlage, einer in Lizenz kommerzialisierten Eigenentwicklung des Fraunhofer IPT, werden unidirektional verstärkte Thermoplast-Tapes abgelegt und entsprechend der später geforderten Belastungsrichtung übereinandergeschichtet. Auf diese Weise entsteht eine mehrschichtige, hochbelastbare und flexible Platte, ein sogenanntes Organoblech. Dabei überwachen und dokumentieren die Forscher jeden Schritt dieses automatisierten Prozesses mithilfe unterschiedlicher Sensoren. Auf diese Weise entsteht ein virtuelles Abbild für jedes Organoblech, das es erlaubt, Qualitätsabweichungen frühzeitig zu erkennen und entsprechend gegenzusteuern. Das fertige Organoblech wird im nächsten Fertigungsschritt erwärmt und in einem Umformprozess endkonturnah geformt. Dieser Prozess, das Thermoforming, wurde in den bisherigen Versuchsreihen zunächst an 16 Millimeter dicken, gewebeverstärkten Organoblechen aus Polyamid (PA12) und Kohlefasern getestet und soll bald auf Organobleche aus Polyetheretherketon (PEEK) und Kohlefasertapes übertragen werden.
Sensordaten aus dem im Inneren von FVK-Bauteilen
Nach dem Thermoforming werden die Kanten des umgeformten Organoblechs getrimmt und mittels Fräsen in die finale Form gebracht. "Wir konnten zeigen, dass die verketteten Fertigungsprozesse bei Herstellung und Endbearbeitung von FVK-Blades funktionieren. Sowohl in radialer Schaufelrichtung als auch zwischen Vorder- und Hinterkante der Schaufeln konnten wir sehr gute Oberflächenqualitäten erzielen", sagt Daniel Heinen, Leiter des Geschäftsfelds "Turbomaschinen". Nun gelte es, das neue Verfahren weiter zu optimieren und in verschiedenen industriellen Anwendungskontexten zu untersuchen. Dabei wollen die Aachener Wissenschaftler ihr Augenmerk auf die Verwendung des Hochleistungsthermoplasten PEEK und das Einlaminieren von Sensortechnik in das Innere des Organoblechs legen – nicht nur zur Überwachung der Herstellungsprozesse, sondern auch des Bauteilzustands selbst während seiner späteren Verwendung im Triebwerk. Darüber hinaus sind sie daran interessiert, ihre automatisierte Werkstoffherstellung auch für Komponenten außerhalb der Luftfahrtindustrie anzuwenden und würden hierbei gerne mit interessierten Unternehmen zusammenarbeiten.