Werkstoff-Entwicklung

Mit Mikrowelle

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Faserverstärkte Kunststoffbauteile für Schiffe, Gebäudefassaden und Windkraftanlagen herzustellen, ist technisch schwierig. Jetzt entwickeln Forscher ein neues, umweltfreundliches Verfahren, mit dem sich der Prozess des Härtens exakt steuern lässt.

Im Schiffsbau, in der Bauindustrie und in Windkraftanlagen werden große Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen benötigt. Um diese herzustellen, wird der Kunststoff entweder in Formen gegossen oder manuell Schicht um Schicht aufgestrichen. Beide Verfahren haben Tücken: Füllt sich die Gussform nicht vollständig, muss das Bauteil ausgemustert werden. Beim Handlaminieren wird Styrol, ein flüchtiger und gesundheitsschädlicher Kohlenwasserstoff, frei. Außerdem werden die Polyesterharze, die mit Härter und Beschleuniger vermischt sind, je nach Umgebungstemperatur mal schneller und mal langsamer fest. „Aufgrund der wechselhaften Außentemperatur bei der Fertigung ist der chemische Prozess bisher nicht präzise reproduzierbar“, erläutert Dr. Rudolf Emmerich, Fachgruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal. Unter seiner Leitung will ein Team von Forschungsinstituten und Unternehmen aus Deutschland, Slowenien und Spanien die Herstellung großer Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen revolutionieren. Die anderen Partner sind: Elan aus Slovenien, ABB -Slovenien, AIMPLAS aus Spanien, Mügge Electronics aus Deutschland und Wolfangel, Deutschland. Eine Million Euro und damit rund 50 Prozent der Kosten investiert die Europäische Union in das Forschungsprojekt. Das Ziel: verbesserte Arbeitsbedingungen, geringere Umweltbelastung und höhere Qualität.

Die Polyesterharzmischung soll künftig so niedrigviskos, also wenig zäh, sein, dass sie bei normaler Umgebungstemperatur nicht aushärtet. Mit diesem Harz lassen sich die Fasern – Glasfaser oder Schaumgewebe – gut einbetten und man hat Zeit zum Nachbessern. Erst wenn die Bestandteile fix und fertig in der Form liegen, wird das Bauteil gehärtet – und zwar mit Mikrowellen. Voraussetzung ist, „dass wir die Bauteile, unabhängig von ihrer Geometrie, gleichmäßig erwärmen und damit härten“, erläutert Emmerich die Anforderung an die ICT-Forscher. Bewegliche Antennen sollen die Mikrowellen aussenden und die Energie nach Bedarf verteilen. Bereits geklärt sind der technische Aufbau, die Intensität der Mikrowellenstrahlung und die neue chemische Zusammensetzung der Polyesterharze. Derzeit wird das Verfahren fit gemacht für den großtechnischen Einsatz. Der Prototyp einer Anlage ist bereits fertig.
Der Einsatz von Mikrowellen in der Kunststoffverarbeitung spart Zeit und Energie und eröffnet neue Möglichkeiten. „Kunststoffe werden bei der Verarbeitung meist erwärmt. Weil sie schlechte Wärmeleiter sind, sind die Heizzeiten lang. Mit Mikrowellen dagegen können wir die Energie schneller, kostengünstig und vor allem sehr gezielt in den Werkstoff einkoppeln“, fasst Emmerich zusammen. Diese Vorteile lassen sich für ein breites Anwendungsspektrum ausnutzen.
Ein Beispiel ist das Schweißen von langfaserverstärkten Thermoplasten. Gängige Schweißtechniken können diese Materialien nicht verbinden. Daher wurden sie bisher geklebt. Doch die dazu verwendeten chemischen Substanzen und Lösungsmittel sind toxisch und belasten die Umwelt. Den Wissenschaftlern gelang es, die faserverstärkten Bauteile mit Mikrowellen umweltfreundlich zusammenzuschweißen. Das Ergebnis: Die geschweißten Proben hielten dreimal fester als geklebte Proben.
Epoxidharz ist ein vielseitiger, aber spröder Werkstoff. Mit Hilfe von Mikrowellen wurde das Harz modifiziert und seine Schlagzähigkeit verdoppelt. So lässt es sich etwa als Pkw-Unterbodenschutz einsetzen, wo es das PVC ersetzen kann.
Eine weitere Anwendung ist die Herstellung von porösen Elementen wie Filtern oder Schalldämpfern. Diese Teile mussten bisher stundenlang gesintert werden. Das war zeitaufwendig und teuer, eine kontinuierliche Fertigung war nicht möglich. Ein neues am ICT entwickeltes Mikrowellen-Verfahren verkürzt die Sinterzeit drastisch auf wenige Minuten und verbessert gleichzeitig die Homogenität der porösen Elemente. Besonders für dickwandige Teile ist es geeignet.
Im jüngsten Projekt entwickeln seit einem Jahr mehrere Abteilungen gemeinsam neue mikrowellenzersetzbare Treibmittel, mit denen sich Polymere ganz gezielt aufschäumen lassen. Damit könnten in Zukunft die Verarbeitungsschritte Schweißen und Schäumen in nur einem Werkzeug erfolgen; es ließen sich rezyklierbare Monosandwichverbunde herstellen.
Im Prinzip sind für Mikrowellen noch zahllose weitere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Jede neue Anwendung erfordert allerdings von Neuem interdisziplinäre Entwicklungsarbeit: von den komplexen Berechnungen der Mikrowellenfelder über die Modifizierung der verwendeten Kunststoffe – damit sie die Mikrowellen absorbieren – bis hin zur Auslegung der Anlagen. Am ICT arbeiten Experten verschiedener Bereiche an der gleichzeitigen und vernetzten Entwicklung der neuen Produkte und Prozesse. „Denn“, so Dr. Emmerich, „Simultaneous Engineering ist die Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz der Mikrowellentechnik.“ kg
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