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Kunststoffverarbeitung

Fertigungsverfahren



1 | Handlaminieren

Handlaminieren ist das älteste, einfachste und am weitesten verbreitete Verfahren um kleinere Serienbauteile für Segelflugzeuge, Flugmodelle, Boote, Behälter und Prototypen aller Art herzustellen. Durch die Verwendung von Formenharzen lassen sich hohe Oberflächen-güten erreichen.

Arbeitsschritte:

  • Auftragen eines Trennmittels auf die Formoberfläche
  • Einstreichen oder -spritzen einer Deckschicht auf Epoxyd- oder Polyesterbasis (Gelcoat)
  • Nach dem Angelieren werden die nachfolgenden Gewebelagen schichtweise naß-in-naß aufgebracht. Deckschichten aus UP-Vorgelat werden über Nacht durchgehärtet. Zum Laminieren wird zunächst eine Harzschicht aufgetragen. Danach werden die Gewebeverstärkungen eingelegt und sorgfältig mit Harz durchdrängt. Als Werzeuge dienen Pinsel und Rillenroller/ Velourwalzen.
  • Den Abschluß bildet oft ein Abreißgewebe aus Nylonfasern, daß sich nach dem Aushärten des Harzes abschälen läßt und eine rauhe, saubere und klebfreie Oberfläche zur Weiterverarbeitung hinterläßt.
  • Die Aushärtung der Laminate erfolgt meist drucklos bei Raumtemperatur. Nur bei Sandwich-Bauteilen mit Schaum- oder Wabenkern wird im Vakuum unter Druck gehärtet. Bestimmte Harzsysteme benötigen für die Durchhärtung Temperaturen von 50-230 °C. Nach der Durchhärtung erfolgt die Weiterverarbeitung, z.B. durch Besäumen, Schleifen, Kleben.

Geeignete Materialien
Die Matrix (Bettungsmasse) bilden Epoxyd- oder Polyesterharze. Zur Verstärkung werden Aramid-, Glas- oder Kohlefasern verarbeitet, diese werden als Rovings, Gewebe, Gelege, Bänder, Schläuche, Litzen, Vliese, Matten und Schnitzel angeboten.

Erreichbarer Faservolumengehalt
  • bei Mattenlaminaten: ca. 15-20 Vol.-%,
  • bei Geweben: ca. 40-50 Vol.-% min. 20°C Raumtemperatur, 60% Luftfeuchtigkeit, bei guter Be- und Entlüftung

  • Merkmale des Handlaminierens
    • geringer Werkzeugaufwand
    • geringe Investitionskosten
    • für kleinere und mittlere Serien bis ca. 1000 Stück gut geeignet
    • lohnintensiv, da überwiegend Handarbeit

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    2 | Vakuumpressen

    Das zuvor handlaminierte Bauteil wird in einen Foliensack geschoben (nur bei kleinen Teilen möglich) oder mit einer Folie abgedeckt, die am Formenrand luftdicht aufgeklebt wird. Durch das Vakuum presst sich die Folie auf das Laminat und drückt es gegen die Form. Der so max. erreichbare Druck beträgt max. 1 bar.

    Anwendung des Verfahrens
    • Erhöhung des Faseranteils des Laminats, überschüssiges Harz wird herausgepresst
    • zum Verkleben von leichten Stützstoffen (Schaumkunststoffe oder Waben) mit hochfesten Deckschichten aus Harz und Gewebe, zur Herstellung von leichten und steifen Bauteilen
    • das Vakuum wird durch das Auflegen eines luftdurchlässigen Vlieses gleichmäßig verteilt
    • die Formen werden beim Vakuumieren nicht sonderlich belastet und können daher leicht gebaut sein
    • die Aushärtung erfolgt meist bei Raumtemperatur
    • eine anschließende Temperung ist wie beim Handlaminieren noch in der Form oder nach dem Entformen noch möglich

    Merkmale des Vakuumverfahrens
    • geringer Werkzeugaufwand
    • mittlere Investitionskosten
    • arbeitsintensiv
    • hohe Festigkeit der Bauteile

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    3 | Autoklav-Verfahren

    Das Autoklavverfahren ist eines der teuersten und aufwendigsten Verarbeitungsverfahren. Es wird in der Regel nur beim Einsatz von Prepregs (sind mit speziellen Harz vorimpregnierte und angehärtete Verstärkungsgewebe) angewandt. Aus ihnen lassen sich komplizierte, mechanisch und thermisch hochbelastbare Bauteile pressen, die in der Luft- und Raumfahrt oder im Rennsport zum Einsatz kommen. Der Faservolumengehalt liegt bei 60%, der Luftporengehalt ist äußerst gering.

    Arbeitsschritte:
    • Ablegen der einzelnen Prepreg-Lagen (manuell oder mittels Tapelegemaschine)
    • Abdecken mit Lochfolie, Saugvlies und Vakuumfolie
    • Vakuum anlegen (Dichtheit prüfen)
    • Aufbau in den Autoklaven bringen
    • Aushärten unter Druck und hoher Temperatur
    • Abkühlen
    • Belüften und Entnehmen

    Beim Autoklav, der ja ein Druckgefäß darstellt, kann ein Druck von > 6 bar auf das Laminat gebracht werden (im Gegensatz zum Vakuumverfahren 1 bar). Um Prepregs aushärten zu können, wird im Autoklav eine Temperatur von ca. 170°C erzeugt.

    Formen

    GFK, Metall, Holz, Gips

    Merkmale des Autoklav-Verfahrens
    • höchste Festigkeiten der Bauteile
    • hohe Investitionen erforderlich
    • arbeitsintensiv
    • lange Taktzeiten (bedingt durch den manuellen Aufbau)
    • Aufheiz- und Härtezyklus bis zu 7 Stunden

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    4 | Injektionsverfahren

    Beim Injektionsverfahren wird zunächst das trockene Verstärkungsmittel in die Form eingelegt. Als RTM (Resin Transfer Moulding) bezeichnet man das Verfahren, bei dem die Harz/Härter-Mischung in die Form eingebracht wird.
    Im Vergleich dazu werden beim RIM (Resin Injection Moulding) die hoch-reaktiven Komponenten erst unmittelbar vor dem Einspritzen gemischt.

    Für die Herstellung komplizierter Bauteile ist es sinnvoll, vorgeformte Verstärkungsmaterialien (wie durch durch Wärme vorgeformte thermoplastisch gebundene Matten und Gewebe) zu verwenden. Eine andere Variante besteht aus der Verwendung von geflochtenen oder gewickelten "Vorformlingen", die auf einem Formkern mit wechselndem Durchmesser aufgebaut werden.

    Aufgrund der geringen Fließgeschwindigkeit des Harzes und der Fixierung der Fasern bleibt die vorgesehene Faserorientierung erhalten. Dies führt zu reproduzierbar guten mechanischen Eigenschaften der Bauteile.

    Als Matrix werden niedrigviskose Epoxyd- und Polyesterharze verarbeitet. Als Verstärkung eignen sich oberflächenbehandelte Aramid-, Glas- und Kohlefasern in Form von Gewebe, Gelege, Bändern, Matten, und Vliesen.

    Formen
    • GFK- und Aluminiumformen bei Prototypen und Kleinserien
    • Beheizte Stahl- und Aluminiumformen bei größerer Stückzahl

    Merkmale des Injektionsverfahrens
    • Formkosten bei RTM u. RIM etwa gleich, aber höher als Vakuumverfahren
    • höhere Investitionskosten beim RIM als beim RTM-Verfahren
    • Zykluszeiten bei RTM einige Stunden (in beheizten Formen)
    • RIM erheblich kürzer durch Verwendung reaktiverer Matrix-Systeme

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    5 | Wickeln

    Beim Wickelverfahren werden die Verstärkungfasern auf einen Positivkern aufgewickelt. Dieses Verfahren eignet sich vorwiegend zur Herstellung rotationssymmet-rischer Bauteile (Behälter, Rohre und Wellen), bei mehrachsig bewegbaren Fadenführungen können auch komplexere Bauteile ( z.B. Rohrkrümmer) gewickelt werden. Dabei unterscheidet man zwischen Drehmaschinen, Taumel- und Planeten-Wickelverfahren.

    Die Wickelmaschine besteht aus einer Drehvorrichtung für die Rotations-bewegung des Wickelkerns, einer Fadenführung, einem Harztränkbad und einem Spulenständer für den Roving (Faserstrang).

    Geeignete Materialien
    • Als Matrix (Bettungsmasse) werden niedrigviskose Epoxyd- und Polyesterharze verarbeitet.
    • Zur Verstärkung werden hauptsächlich Rovings, zum Teil auch Bänder verwendet.

    Wickelkerne
    Die Kerne sind je nach Bauteilgeometrie:
    • wiederverwendbar (leicht konisch);
    • verlorene Kerne (verbleiben im Bauteil, bestehen meist aus Metall oder Kunststoff);
    • auswaschbar bzw. herauslösbar (Spezialgips, Schaumstoffe)

    Merkmale des Injektionsverfahrens
    • hohe Genauigkeit und gute Reproduzierbarkeit
    • weitgehend automatisierbar
    • wirtschaftlich (Drehbankwickelanlage)
    • für das Wickeln von Bauteilen mit einem Glasroving, werden sehr dünnflüssige Harz/Härter-Systeme wie L20/Härter SG eingesetzt

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    6 | Preßverfahren

    Das Preßverfahren ist zur Herstellung von FVW-Teilen in großer Stückzahl geeignet. Die Reproduzierbarkeit ist gut, die Fertigung weitgehend automatisierbar, die Taktzeiten sind gering. Benötigt wird eine hydraulische Oberkolben-Kurzhubpresse mit Steuerung.

    Die Wickelmaschine besteht aus einer Drehvorrichtung für die Rotations-bewegung des Wickelkerns, einer Fadenführung, einem Harztränkbad und einem Spulenständer für den Roving (Faserstrang).

    Geeignete Materialien

    Vorwiegend werden Glasfasern in Form von Matten und Geweben sowie Aramid- und Kohlenstoff-Filamentgewebe in Verbindung mit Epoxyd- und Polyesterharzen verwendet. Man unterscheidet in:

    • SMC (Sheet Moulding Compound); Bedingungen: Preßdruck 20-250 bar, Temperatur: 140-160°C
    • BMC (Bulk Moulding Compound)
    • GMT (Glasmattenverstärktes Thermoplast)

    Verarbeitungsbedingungen beim SMC Preßdruck 20 - 250 bar
    • Temperatur 140 - 160 °C


    Übliche Preßverfahren

    • Heißpresstechnik
    • Herstellung kleiner und mittlerer Bauteile in Großserien. Es werden heizbare, hartverchromte und polierte Metallwerkzeuge eingesetzt.

    • Kaltpresstechnik
    • Fertigung größerer Teile in mittleren Stückzahlen in einer unbeheizten Kunststofform.

    • Naßpresstechnik
    • Trockene Verstärkungsmaterialien (wie Gelege, Matten, Gewebe oder Vorformlinge) werden in die Form eingelegt. Anschließend wird Harz eingegossen und injiziert. Die Werkzeugtemperatur beträgt je nach Art des Harzes 90 - 140 °C, der Preßdruck auf dem Bauteil 5 - 25 bar.

    • Prepreg-Verfahren
    • Hier werden vorimprägnierte Verstärkungsmaterialien verarbeitet. Zur Herstellung fl?chiger Bauteile mit konstanter Wandst?rke werden Matten- und Gewebepregs (GMT, SMC) verwendet, f¸r Formteile mit unterschiedlichen oder scharf abgesetzten Wandst?rken Preßmassen (BMC).

    Merkmale des Preßverfahrens
     - für die Herstellung großer Stückzahlen geeignet
     - gute Reproduzierbarkeit (zwecks Automatisierung)
     - geringe Taktzeiten

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