Kurzer Prozess im kalten Ofen

Neuartiges Mikrowellensystem HEPHAISTOS aus dem Forschungszentrum Karlsruhe revolutioniert die Herstellung von Verbundwerkstoffen

Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden wegen ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Fahrzeugbau eingesetzt. Bisher mussten diese Verbundwerkstoffe unter hohem Druck in schweren Industrieöfen ausgehärtet werden. Das neue modulare Mikrowellensystem HEPHAISTOS aus dem Forschungszentrum Karlsruhe ermöglicht nun die druckfreie und energiesparende Herstellung von Bauteilen aller Größen. Dieses 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.

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. Damit lassen sich insbesondere kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) wesentlich einfacher als mit bisherigen Methoden herstellen. Die neuen Systeme werden zukünftig von der Firma Vötsch Industrietechnik in Reiskirchen produziert.

„Diese neuen Systeme stellen einen großen Schritt für die Verbundwerkstoff-Fertigung dar und werden die industrielle Wärmetechnik revolutionieren“, freut sich Reiner Wiesehöfer, Leiter Wärmetechnik der Firma Vötsch. „Sie ermöglichen eine schnellere, effizientere und damit preiswertere Produktion von Verbundwerkstoffen.“ Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotenzials in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie zunehmend beim Fahrzeugbau eingesetzt. 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.

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 Dr. Lambert Feher, Leiter der Abteilung Industrielle Mikrowellentechnik im Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des Forschungszentrums 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.“ 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 Forschungszentrum Karlsruhe und Vötsch Industrietechnik werden auf der Messe „JEC Composites Show“ für Verbundwerkstoffe vom 28.-30. März 2006 in Paris Fachbesuchern aus aller Welt erstmals eine HEPHAISTOS-CA1 Kompaktanlage, sowie große mikrowellenausgehärtete CFK-Strukturen präsentieren. Auf 35500 Quadratmetern Fläche stellen bei der JEC über 900 Firmen in den Bereichen Materialien, Verfahren und Anwendungen der Bau-, Automobil- Luftfahrt- und Schifffahrtsindustrie aus.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.