Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPDualer Ansatz aus Laservorbehandlung und thermischem Spritzen zur Herstellung intelligenter Schichten auf faserverstärkten Kunststoffen
Durch den immer bedeutsamer werdenden Nachhaltigkeitscharakter in Branchen des Schiff-, Automobil-, Maschinen- und Schienenfahrzeugbaus werden die Forderungen nach smarten Produktinnovationen zur Ressourcenschonung immer wichtiger. Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FKV) Werkstoffen zur Erreichung dieser Ziele kann zwar den Forderungen durch die Substitution klassischer Strukturen mithilfe entsprechender Leichtbaukonzepte gerecht werden, ist meist aber durch mangelnde Brandschutzeigenschaften sowie verminderte Abrasionsfestigkeiten nur limitiert einsetzbar. Um diese Defizite auszugleichen und breitere Anwendungsfelder zu ermöglichen, können bei entsprechender Vorbehandlung von FKV durch Laserstrukturierung thermisch gespritzte Schichten eingesetzt werden.
Problemstellung
FKV-Werkstoffe werden heutzutage bereits in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten bei gleichzeitig geringer Masse eingesetzt. Aufgrund ihrer unzureichenden Eigenschaften hinsichtlich des Brandschutzes und der Abrasionsbeständigkeit können diese Werkstoffe jedoch größtenteils gar nicht bzw. nur stark eingeschränkt im Schiff- und Rohrleitungsbau eingesetzt werden. Da hier in der Regel ein Nachweis über die Werkstoffeigenschaften gefordert ist, scheitern derzeit am Markt verfügbare Werkstoffe und Halbzeuge häufig an geltenden Vorschriften von Klassifikationsgesellschaften. Da diese zwangsläufig für die Auslegung von Schiffstrukturen berücksichtigt werden müssen, muss häufig auf deutlich unwirtschaftlichere Konstruktionen mit hohen Wandstärken und Bauteilgewichten zurückgegriffen werden.
Zielstellung und Lösungsweg
Das Projekt verfolgt das Ziel, mithilfe eines dualen Lösungsansatzes, bestehend aus einer Laserstrukturierung der Bauteiloberfläche in Kombination mit einer thermisch gespritzten Schicht, die Werkstoffeigenschaften von FKV-Werkstoffen hinsichtlich des Brandschutz- und des Abrasionsverhaltens aufzuwerten, um diese für den Einsatz im Schiffs- und Rohrleitungsbau attraktiver zu gestalten. Im Forschungsvorhaben sollen bereits durch das Fraunhofer IWS erworbene Erkenntnisse im Umgang mit Laservorbehandlungsprozessen auf Hochleistungs-UKP-Laser zur Maximierung der Prozessgeschwindigkeit einfließen, um den Strukturierungsvorgang effizienter zu gestalten. Im Anschluss soll das am Fraunhofer IGP befindliche thermische Beschichtungszentrum zur Entwicklung der thermisch gespritzten Schicht genutzt werden. Hierfür werden mittels modernster Brennertechnologien maßgeschneiderte Schichtsysteme für die definierten Anwendungsfälle entwickelt. Abschließend soll die Schichtintegrität der beschichteten FKV-Werkstoffe mithilfe von Brandprüfungen und Abrasionsuntersuchungen unter typischer Einsatzbelastung nachgewiesen werden.
Nutzen
Durch die Laserstrukturierung mit anwendungsrelevanten Prozessgeschwindigkeiten (ca. 0,1m²/min), soll mithilfe von geeigneten Prozesstechnologien ein Nachweis zur effizienten Vorbehandlung von Großstrukturen erbracht werden. Bei einer erfolgreichen Aufskalierung der Flächenraten können Anwender die optimierten Möglichkeiten der Vorbehandlung nutzen, um Bauteile und Komponenten mit geringem Aufwand für das thermische Beschichten vorzubereiten.
Die thermisch gespritzte Schicht verhilft dem FKV-Werkstoff im Anschluss, die Widerstandsfähigkeit gegen Abrasion und Feuer durch eine Barrierewirkung zu steigern. Dadurch soll der Anwender die Möglichkeit erhalten, das Material in einem größeren Anwendungsbereich (bspw. Schiffs- oder Rohrleitungsbau) einsetzen zu können. Die Erweiterung des Anwendungsfelds bringt das Potenzial für Folgebeantragungen sowie Industrieaufträge mit sich. Die Erkenntnisse zum thermischen Beschichten von FKV-Strukturen sind zudem nicht nur auf die genannten Anwendungsfelder begrenzt, sondern kommen überall dort zum Tragen, wo die reinen Materialeigenschaften des Faserverbundwerkstoffes nicht mehr ausreichen, um den geltenden Regularien und Sicherheitsvorschriften entsprechen zu können.
