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Innovation durch PrePreg

CFK Composites sind Werkstoffe, die insbesondere in den Sektoren Automotive sowie Luft- und Raumfahrt bereits seit Jahren die bis dato verwendeten Leichtmetalle überflügeln. Meist aus Carbonfasern bestehende Rohmaterialien werden zu Hochleistungsbauteilen gelegt und halten größten Belastungen bei minimalem Eigengewicht stand. Die in sogenannten PrePreg bzw. TowPreg Tapes gefassten Werkstoffe werden bei Compositence vollautomatisiert über Fertigungsanlagen verarbeitet. Dieser Prozess erweist sich im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, welche auf klassischen Textilverfahren basieren, als besonders materialsparend, flexibel in der Anwendung sowie weitaus weniger zeitaufwändig.

Arten und Unterscheidungen

Bei PrePreg bzw. TowPreg Stoffen handelt es sich um sogenannte preimpregnated fibers, also Fasern, die bereits mit einer Matrix, welche schon vor der eigentlichen Verarbeitung mit Chemie oder Harz behandelt wurden und gebrauchsfertig vorliegen. PrePreg und TowPreg sind also Sammelbegriffe, die keine spezifischen Fasertypen oder Bindemittel bezeichnet.

Wie bei allen Anwendungen in Bereich Faserverbund ist auch beim PrePreg der Einsatz unterschiedlicher Fasertypen möglich. Die gängigsten Fibers sind:

  • Carbonfaser
  • Glasfaser
  • Basaltfaser
  • Aramidfaser

Besonders Fasern aus Carbon sind aufgrund ihrer hohen Tragkraft und Steifigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität sowie äußerst geringem Gewicht das dominierende Ausgangsmaterial für die Herstellung von Hochleistungsprodukten.

Als imprägnierende Harze werden für PrePreg vor allem Mischungen auf Epoxid- oder Vinylesterbasis verwendet. Letztere bieten den Vorteil, dass sie besonders beanspruchbar sind und durch beigemengte Beschleuniger schneller verarbeitet werden können als Epoxidprodukte. Der Härteprozess wird bei beiden Varianten durch die Zugabe von Katalysatoren – meist Peroxide – initiiert.

Für die Produktion spielt die Umgebungstemperatur eine wichtige Rolle. Üblicherweise werden PrePregs in Bahnen bei ca. -20° Celsius gelagert und bei Raumtemperatur verarbeitet. Die Kälte verlangsamt den Reaktionsprozess von Härtern und Harzen, der erst bei höheren Temperaturen verstärkt einsetzt.

Verwendung, Handling und Lagerung

Das PrePreg bzw. TowPreg kann vor dem eigentlichen Gebrauch für mehrere Monate in Kühlkammern gelagert werden. Dadurch ist es möglich, den Bestand bedarfsgerecht zu verbrauchen und die eigene Produktion der Nachfrage anzupassen. Die Kühlkette sollte erst für die finale Verarbeitung unterbrochen werden, da sonst der Reaktionsprozess in Gang gebracht wird und die Gewebe aushärten.

Es handelt sich hier um duroplastische Stoffe, also um Materialien, die nach dem Aushärten nicht mehr in ihren flexiblen Ursprungszustand zurückversetzt werden können, sondern dauerhaft die neue Form behalten.

In der Produktion kommen bei Compositence Tape Laying Anlagen in Form von Robotern und Linearmaschinen zum Einsatz, die präzise und schnell Bauteile erstellen. Die Technik erfordert lediglich das Bestücken der Spulengatter mit den verbrauchsfertigen Bahnen: Das Produktionsprogramm wird aus der eigenen Software generiert und auch alle anderen Fertigungsprozesse laufen automatisch ab. Im Gegensatz zur manuellen Verarbeitung wird hier besonders verschnittarm und zeitsparend gearbeitet.

Hochtemperatur-PrePregs müssen nach dem Formen und Legen zusätzlich noch in einem Autoklaven behandelt werden. Das spezielle Gerät sorgt mit Hitze und Druck (high pressure) dafür, dass die Preform aushärtet und das Fertigteil so die charakteristischen Composite Eigenschaften erhält. Unter normalen Temperatur- und Druckverhältnissen – in diesem Kontext spricht man von low pressure – würden die Werkstoffe im Verarbeitungszustand bleiben.

Einsatzbereiche

PrePreg bzw. in zunehmender Weise auch TowPreg Tapes haben sich mittlerweile als Standardrohstoff für die Herstellung von Faser-Verbundwerkstoffen etabliert. Unbehandelte Matten bilden in automatisierten Anwendungen die Ausnahme und kommen nur noch selten, z. B. beim Prototyping, zum Einsatz.

Besonders durch die generelle Verwendung findet man das PrePreg heute in vielen Produkten. Autobauer und Flugzeughersteller wie Boeing und Airbus setzen stark auf Carbonfaser Composites, um mit ihren Produkten die eigene Innovation voranzutreiben und gleichzeitig den technologischen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz zu erhöhen. PrePreg sind deshalb die Grundlage für die schnelle und kosteneffiziente Herstellung von Produkten aus Carbon und unverzichtbarer Bestandteil der Composite Fertigung.