Kohlefaserverstärkte Werkstoffe (CFK) werden häufig in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Fahrzeugbau eingesetzt. Bisher mussten diese Verbundwerkstoffe unter hohem Druck in schweren Industrieöfen ausgehärtet werden. Mit dem neuen Mikrowellensystem HEPHAISTOS des Forschungszentrums Karlsruhe lassen sich diese Bauteile wesentlich einfacher und energiesparender als mit bisherigen Methoden herstellen.
Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe haben im Rahmen eines Technologietransferprojektes eine neue Generation von Industriesystemen für die Wärmetechnik entwickelt. Herzstück der Systeme ist ein sechseckiger Mikrowellenofen, dessen Geometrie eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen ermöglicht.
"Diese neuen Systeme stellen einen großen Schritt für die Verbundwerkstoff-Fertigung dar und werden die industrielle Wärmetechnik revolutionieren", sagt Reiner Wiesehöfer von der Firma Vötsch, die die neuen Systeme zukünftig produziert. "Sie ermöglichen eine schnellere, effizientere und damit preiswertere Produktion von Verbundwerkstoffen."
Die neuen modularen Mikrowellen-Systeme der HEPHAISTOS-Serie können vom Labormaßstab bis zur Großanlage der Luftfahrtindustrie realisiert werden. Die Produktlinie ist benannt nach dem griechischen Gott des Feuers und Handwerks – der Name setzt sich dabei aus den Buchstaben für High Electromagnetic Power Heating Automated Injected STructures Oven System zusammen.
Ofen wird nicht mehr aktiv geheizt
CFK-Verbundwerkstoffe werden heute noch in schweren Industrieöfen bei hohem Druck ausgehärtet. Die international patentierten HEPHAISTOS-Systeme arbeiten dagegen grundsätzlich ohne zusätzlichen Druck und erwärmen dabei trägheitslos nur das aufgebaute Bauteil selber – der Ofen wird nicht mehr aktiv geheizt. Damit kann mit einem geringen Energieverbrauch eine hohe Heizrate in dem Bauteil direkt durch die Mikrowelle erzeugt werden. Zudem erschließen sich neu entwickelte kostengünstigere Verfahren, um Harz als Klebstoff zwischen trockene Kohlefasern zu injizieren.
"Wir mussten zunächst lernen, wie gleichmäßige Mikrowellenverteilungen überhaupt erzeugt werden können. In der Küchenmikrowelle gleicht man die Inhomogenitäten durch Drehung des Gargutes aus – wir haben das Problem über eine sechseckige Form der Prozesskammer gelöst", erläutert Lambert Feher vom Forschungszentrum Karlsruhe. "Inzwischen können wir die Felder sogar computergesteuert durch beliebige Abschnitte der Prozesskammer und des Bauteils strömen lassen, ohne dass wir ein bewegliches Teil brauchen. Die 'Blitzlichtgewitter', die entstehen, wenn man beispielsweise eine metallische Gabel in die Küchenmikrowelle legt, gehören in diesem System der Vergangenheit an."
Kostensenkung und Steigerung der Energieeffizienz
Die gleichmäßigen Felder ermöglichen die Verwendung von metallischen Tischen oder Werkzeugen, wie sie heute in der Luftfahrt bei der Produktion von CFK-Strukturen verwendet werden, innerhalb von HEPHAISTOS. Auch die Übertragungstechnik der Mikrowellen wurde komplett im Forschungszentrum entwickelt und gebaut. Daraus folgte sowohl eine deutliche Kostensenkung der erforderlichen Mikrowellenkomponenten, als auch eine Steigerung der Energieeffizienz, um Mikrowellenleistung möglichst verlustfrei von der Erzeugung zum Verbraucher zu transportieren.
Die HEPHAISTOS Mikrowellentechnik wurde seit 2003 in einem Technologietransferprojekt mit der Vötsch Industrietechnik sowie den Partnern Institut für Flugzeugbau (IFB) an der Universität Stuttgart und dem Composite Research Center der EADS in München entwickelt. Eine Großanlage HEPHAISTOS-CA2 wird in Kürze an die Universität Stuttgart zur Integration in die weltweit modernste Fertigungsstraße für CFK- Strukturen ausgeliefert.
Das weltweit erste Industriesystem für die Mikrowellenaushärtung von Verbundwerkstoffen wird auf der internationalen Messe "JEC Composites Show" in Paris vom 28. bis 30. März 2006 präsentiert.
(idw – Forschungszentrum Karlsruhe, 29.03.2006 – DLO)
