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National Composites Centre stellt CMCs mit AFP-Technologie her

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Ingenieure des National Composites Centre (NCC) haben Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) mit Hilfe der AFP-Technologie (Automated Fibre Placement) hergestellt.

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Dieser Fortschritt, eine europäische Premiere, soll den Weg dafür ebnen, dass die Hochtemperaturfähigkeit dieser Materialien in Motoren genutzt werden kann.

Das Projekt, das im Rahmen des Kernforschungsprogramms des NCC durchgeführt wurde, wird von Rolls-Royce, Reaction Engines, MBDA und 3M unterstützt. Es hat gezeigt, dass ein neuartiges keramisches Tow-Preg-Material auf Oxidbasis von 3M für die automatische Abscheidung verwendet werden kann.

Während herkömmliche Superlegierungen auf Nickelbasis eine maximale Dauertemperatur von ca. 800 °C haben, können CMCs auf Oxidbasis bei 1000 °C betrieben werden, wobei die höhere Betriebstemperatur die Effizienz von Luft- und Raumfahrtmotoren verbessern und den Treibstoffverbrauch und die damit verbundenen CO2-Emissionen verringern könnte.

Der breite Einsatz von CMCs ist jedoch derzeit auf hochwertige Anwendungen wie Hitzeschilde und Turbinenschaufeln beschränkt. Die Möglichkeit, eine kostengünstigere Version des Materials mit Hilfe der AFP-Technologie zu verarbeiten, wird die Endkosten für die Herstellung von CMC-Bauteilen senken und sie für Branchen, die Bauteile benötigen, die hohen Temperaturen standhalten können, attraktiver machen

Nach Angaben von NCC hat das Team die bestehende AFP-Technologie, die normalerweise für die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen mit organischer Matrix wie kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz verwendet wird, für die Verarbeitung des 3M-Materials angepasst

Sie untersuchten auch, wie Prozessparameter wie Geschwindigkeit, Wärme und Verdichtungskraft die Materialabscheidung und -qualität beeinflussen. Die Ermittlung der optimalen Abscheidungsparameter verringert die Materialvariabilität und beseitigt damit eine der größten Herausforderungen für eine breitere Anwendung von CMC, so NCC. Dies könnte auch die Kosten senken und weniger Abfall verursachen.

"Wir hoffen, dass wir im nächsten Jahr unsere optimierten Herstellungsparameter nutzen können, um noch komplexere Geometrien zu erzeugen, beginnend mit gekrümmten Oberflächen, um industrielle Teile besser abzubilden", sagte Dr. Dave King, Engineering Capability Lead for Advanced Materials am NCC

"Mit der Unterstützung von 3M untersuchen wir auch breitere Materialformate, um die Anzahl der Klebebandverbindungen im Material zu reduzieren und so seine Leistung zu erhöhen. Diese Faktoren sind entscheidend für den Einsatz in der Industrie"

Angus Braithwaite, leitender Werkstoffingenieur bei Reaction Engines, fügte hinzu: "Neben der Entwicklung seiner luftatmenden Hochgeschwindigkeits-Antriebssysteme ist sich Reaction Engines darüber im Klaren, dass CMCs eine wichtige Rolle bei der Optimierung des Zugangs zum Weltraum, des Hochgeschwindigkeitsflugs und anderer innovativer Luft- und Raumfahrtanwendungen spielen werden.