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Plastisch fantastisch!

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Thermoplastische Kunststoffe gelten weithin als die Zukunft der Verbundwerkstoffe, dennoch sind die Übernahmeraten auf dem Luft- und Raumfahrtmarkt immer noch relativ niedrig. Andy Whitham von Cygnet Texkimp erklärt, was dieser Bereich den Luft- und Raumfahrtherstellern zu bieten hat und was das Unternehmen unternimmt, um die thermoplastischen Fähigkeiten des Marktes zu entwickeln.

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Cygnet Texkimp ist ein Sondermaschinenbauer, der sich auf Faserverarbeitungstechnologien für den Verbundwerkstoffmarkt spezialisiert hat, einschließlich Prepreg, Beschichtung, Laminierung, Schneiden und Wickeln von Filamenten. Unser Unternehmen ist bekannt für seine auf Duroplast-Prinzipien basierenden Kohlefaser-Verarbeitungsmaschinen - in der Tat sind wir einer der größten Lieferanten von Duroplast-Prepreg-Technologien für die weltweite Luft- und Raumfahrtindustrie.

Vor sechs Jahren begannen wir mit der Entwicklung einer Alternative zu dieser Technologie unter Verwendung von Thermoplasten. Unsere thermoplastische Fertigungslinie kann eine Reihe von Polymeren wie Nylon, Kohlenstoff und Glas bis hin zu PEEK verarbeiten. Die Technologie wurde entwickelt, um thermoplastische Prepreg-Platten herzustellen, die zu Bändern geschlitzt und zur Bildung von Strukturen durch Filamentwickeln oder andere Bandlegeverfahren verwendet werden können. Diese thermoplastische Platte ergänzt andere Maschinen in unserem Portfolio, einschließlich Filament-Wicklung, 3D-Wicklung, Schneiden und Automatisierung (Be- und Entladen).

Mehr Luft- und Raumfahrthersteller in die Lage zu versetzen, Thermoplaste zu erforschen, ist ein aufregender Bereich unserer Arbeit, aber es gibt bedeutende Herausforderungen, die auf dem Weg dorthin überwunden werden müssen.

Die meisten Verbundwerkstoffe, die heute in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, basieren auf der Duroplast-Technologie, und es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass es sich dabei immer noch um den neuesten Stand der Technik mit laufenden Entwicklungen zur weiteren Verbesserung sowohl der Materialien als auch der Verfahren handelt. Die fortschrittlichsten Flugzeuge der Welt verwenden jedoch Verbundstoffstrukturen, die auf Duroplasttechnologien basieren, die vor Jahrzehnten entwickelt wurden.

Ein Duroplast ist ein Harz oder Klebstoff, der während eines chemischen Prozesses ausgehärtet wird, um seine Struktur dauerhaft zu verändern. Duroplast-Verbundwerkstoffe entstehen durch die Kombination des Duroplasts mit einer Faser oder Fasermischung wie Kohlenstoff oder Glas. Häufig werden die Faser und das Harz in einer vorimprägnierten Platte kombiniert, so dass der Harzgehalt in der gesamten Endstruktur genau kontrolliert werden kann.

Es ist ein Materialwirbel

Im Gegensatz dazu sind die Kunststoffe, die wir im Alltag sehen, fast ausnahmslos Thermoplaste - Kunststoffe, die immer wieder geschmolzen und neu geschmolzen werden können. Sie sind relativ einfach zu handhaben, verfügen über eine Reihe nützlicher Eigenschaften, lassen sich schnell verarbeiten und sind leicht zu recyceln. Warum also entscheidet sich die Verbundwerkstoffindustrie im weiteren Sinne, einschließlich der Luft- und Raumfahrt, immer noch für ein System, das der Rest der Welt in den 1970er Jahren hinter sich gelassen hat?

Erstens sind die Epoxidharze, die bei der Herstellung von duroplastischen Verbundwerkstoffen verwendet werden, gut bekannt, und in der Luft- und Raumfahrt ist dies wirklich von Bedeutung. Nach 50 Jahren Entwicklung ist die Sicherheit, Beständigkeit und Zuverlässigkeit der Duroplast-Technologien umfassend bewiesen. Einmal mit der Faser kombiniert und ausgehärtet, bilden Duroplaste extrem feste Laminate. Wichtig ist, dass ein Epoxidharzsystem hergestellt werden kann, das die Faser sehr effektiv benetzt, was bedeutet, dass alle Fasern mit einem Minimum an Harz beschichtet und zusammengehalten werden, um ein wirklich festes und steifes Verbundbauteil herzustellen. Diese Steifigkeit ist nicht immer wünschenswert, aber zumindest wird sie verstanden.

Epoxidharzsysteme, die bei der Herstellung von duroplastischen Verbundwerkstoffen verwendet werden, haben jedoch einige unbestreitbare Nachteile, die zunehmend an Bedeutung gewinnen - insbesondere die Geschwindigkeit der Herstellung, Instabilität und Umweltauswirkungen.

Es ist nicht praktikabel, eine große Anzahl von Duroplast-Verbundstoffteilen mit bestehenden Techniken herzustellen. Tatsächlich ist die Herstellung mit konventioneller Duroplast-Technologie im Vergleich zu weiter verbreiteten Produktionstechniken ein mühsamer und aufwändiger Prozess. Dies liegt an den typischerweise langwierigen Prozessen, die für die Herstellung von Duroplastteilen erforderlich sind und Aushärtungs- und möglicherweise Nachhärtungsphasen von mehreren Stunden umfassen.

Die Stabilität des Harzsystems ist auch ein Anliegen der Hersteller. Sobald es gemischt wird, wird das Harz chemisch aktiv, und der Countdown bis zu seiner "Out-Life"-Lebensdauer (die Länge der Zeit, in der das aktive Harz nützlich bleibt) beginnt. Die Verwaltung des Harzes bedeutet, dass erhebliche Investitionen in zusätzliche Verarbeitungsausrüstung erforderlich sind, einschließlich Mischräume, Gefrierschränke, Autoklaven und Öfen, um die Geschwindigkeit dieser chemischen Reaktion zu steuern.

Schließlich werden die Umweltauswirkungen von Duroplast-Technologien zunehmend berücksichtigt. Neben der Toxizität der bei der Herstellung von Duroplasten verwendeten Chemikalien kann das chemisch fixierte Verbundteil noch nicht ohne weiteres recycelt werden.

In allen Transportsektoren gibt es nun ein zunehmendes Bestreben, Gewicht zu reduzieren und damit die Energieeffizienz zu verbessern. Hunderte von Projekten weltweit versuchen, die Vorteile der Verbundbauweise zu nutzen, um das Gewicht von Komponenten zu vernünftigen Kosten und mit einer praktikablen Produktionsrate zu reduzieren.

Eine vorgeschlagene Lösung für diese Herausforderungen - eine Lösung, die Verbundwerkstoffe in einem viel breiteren Spektrum von Anwendungen viel attraktiver machen würde - ist die Verwendung von Thermoplasten als Matrix anstelle eines Epoxidharzes. Dies ist keineswegs eine neue Methode - zerkleinerte Kurzfasern werden seit vielen Jahren zur Modifizierung der Eigenschaften von Polymeren in Spritzgussteilen verwendet - aber sie bietet einige wichtige Vorteile für die Luft- und Raumfahrt und andere Märkte.

Beispielsweise lassen sich signifikante Verbesserungen der Schlag- oder Hitzebeständigkeit leichter erreichen, wenn man von Anfang an ein geeignetes Polymer auswählt, um die Anforderungen an Leistung und Kosten auszugleichen.

Thermoplastische Kunststoffe bieten einen wesentlich schnelleren und kostengünstigeren Weg zur Herstellung von Verbundwerkstoffen als Duroplaste, da es keine chemische Reaktion gibt, die gesteuert werden muss. Effektiv wird das Polymer einfach geschmolzen und ausgehärtet, um z.B. Prepreg-Material zu erzeugen, das dann wieder aufgeschmolzen und auf vielfältige Weise zu Teilen ausgehärtet werden kann.

Kosten- und Platzeinsparungen können auch deshalb erzielt werden, weil eine vollwertige Thermoplastverarbeitungslinie eine wesentlich kleinere Stellfläche als eine herkömmliche Duroplastmaschine hat. Bei der Herstellung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen sind z.B. keine Harzmischanlagen, Beschichtungsmaschinen oder Papieraufwickler erforderlich. Sie benötigen keine Öfen oder Autoklaven, um sie zu verarbeiten, keine speziellen Handhabungsgeräte, um sie innerhalb und außerhalb der Fertigungslinie zu handhaben, und keine Gefriertruhen, um sie zu lagern und zu transportieren.

Ein weiterer interessanter Punkt aus der Sicht des Maschinenbaus ist, dass thermoplastische Verarbeitungslinien elektrisch beheizt werden, was eine sauberere Alternative zu herkömmlichen Duroplastanlagen mit Ölerhitzern und Wasserkühlern darstellt.

Wenn Geschwindigkeit auf Nachfrage trifft

All dies bedeutet, dass der Prozess der Herstellung von thermoplastischen Prepregs wesentlich schneller ist als der von Duroplasten und daher in vielen verschiedenen Sektoren potenziell attraktiv ist. Hierin liegt jedoch eine Herausforderung: Die derzeitige Rate der Kohlenstofffaserproduktion in der ganzen Welt ist nicht groß genug, um eine breite Einführung thermoplastischer Verarbeitungstechniken aufrechtzuerhalten, was bedeutet, dass den Herstellern schnell der Kohlenstoff ausgehen würde. Es ist schwierig, ein Material zu spezifizieren, das nicht zuverlässig beschafft werden kann, und das wiederum dämpft das Wachstum. Da die Inbetriebnahme einer Anlage zur Herstellung von Kohlenstofffasern zwei bis drei Jahre dauert, ist dies eine Herausforderung, für deren Bewältigung erhebliche Investitionen erforderlich sind.

Wie ich bereits beschrieben habe, stellt die Zertifizierung von Thermoplasten ebenfalls eine Herausforderung dar und ist ein Hauptgrund dafür, dass Duroplaste in der Luft- und Raumfahrt immer noch dominieren. Die Einführung neuer Technologien in diesen Markt - insbesondere für die Herstellung von Strukturteilen - ist eine Herausforderung, die nicht übersehen werden darf. Es ist jedoch zu erwarten, dass der Markt für Thermoplaste in nicht-strukturellen Teilen, wie z.B. Sitze und deren Zubehör, schneller an Fahrt gewinnen wird, sobald die Produktionstechniken verfeinert worden sind.

Im Hinblick auf ihre Nachhaltigkeit bieten thermoplastische Kunststoffe interessante Vorteile für die Zukunftssicherheit. So können sie beispielsweise geschweißt werden, was von großer Bedeutung ist, da sie sich dadurch schnell und einfach verbinden lassen. Obwohl einige mechanische Verbindungen von Komponenten noch erforderlich sein können, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen, können diese in das Bauteil eingegossen werden.

Sie sind auch besser wiederverwertbar, was ihnen einen wachsenden Vorteil gegenüber Duroplasten verschafft, da Verbundwerkstoffe allmählich in den Mainstream aufgenommen werden. Während das Recycling von Verbundwerkstoffen ebenfalls noch in den Kinderschuhen steckt, wird ein größeres Materialvolumen Innovationen und Investitionen in diesem Bereich vorantreiben.

In der Zwischenzeit ist es unser Ziel, mit mehr Luft- und Raumfahrtherstellern zusammenzuarbeiten, um die thermoplastische Technologie so zu entwickeln, dass ihre spezifischen Ziele und Bestrebungen unterstützt werden.

https://cygnet-texkimp.com

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