Herkömmliches Formverfahren für Kohlefaser-Prepreg

In der anspruchsvollen Welt der Luft- und Raumfahrt sowie der Hochleistungs-Fertigung, kohlenstofffaserpreprepreg ist die Formtechnik wie ein "unsichtbarer Handwerker", der hochwertige Materialien mit äußerster Präzision formt und gleichzeitig Festigkeit und Leichtigkeit vereint. Als klassisches Verfahren im Bereich der Verbundwerkstoffe hat sich die traditionelle Prepreg-Verarbeitungstechnik aus Kohlefaser über Jahrzehnte weiterentwickelt und bleibt das "Rückgrat" der High-End-Produktion. Heute werfen wir einen tiefen Blick hinter die Kulissen dieser Technologie, um ihre Kernelemente zu entschlüsseln und zu verstehen, wie aus einem Harz-getränkten Kohlefasergewebe ein Schlüsselbauteil eines Raumfahrzeugs oder das Grundgerüst einer Rennwagenkarosserie entsteht.

Was ist ein Kohlenstofffaser-Prepreg?

Um die Formgebungsmethode zu verstehen, müssen wir zuerst das grundlegende Konzept des „Prepregs“ verstehen. Einfach ausgedrückt ist kohlefaserverstärktes Prepreg die „perfekte Kombination“ aus Kohlefasergarn und Harz – unter streng kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen werden Epoxidharz, Phenolharz und andere Matrixmaterialien gleichmäßig in das Kohlefasergewebe eingedrängt, wodurch eine viskose Verbundmaterialrolle oder -platte mit einer bestimmten Viskosität entsteht.
Diese „vorgelegte Imprägnierung“ unterscheidet sie vom Trockenfaser-Formgebungsprozess: Der Harzgehalt und dessen Verteilung sind bereits im Voraus festgelegt, und der anschließende Formgebungsprozess muss sich nur darauf konzentrieren, wie das Material exakt in der Form platziert wird und vollständig aushärtet, wodurch der Aufwand für die manuelle Handhabung vor Ort erheblich reduziert wird. Es ist vergleichbar mit vorgefertigtem Teig vor dem Backen – das Rezept ist bereits abgestimmt, es bleibt nur noch, Temperatur und Zeit beim Backen richtig zu dosieren.

Herkömmliche Formgebungsmethode

（1）Autoklaven-Formgebung
Der Goldstandard-Prozess zur Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen in Luftfahrtqualität. Dabei wird der mit Harz präimprägnierte Kohlefaser-Prepreg-Aufbau zusammen mit der Form in eine Vakuumfolie eingeschweißt und in einen großen, hochtemperatur- und druckfesten Behälter, den Heißpressbehälter, eingebracht. Während des Aushärtungsprozesses werden gleichzeitig einheitlicher hoher Druck (mehrere Atmosphären) und hohe Temperatur auf den Behälter ausgeübt, wodurch das Harz vollständig fließen kann und die Fasern verdichtet werden. Dadurch entstehen Bauteile mit äußerst hohem Fasergehalt und geringer Porosität.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass damit komplexe Strukturbauteile von unübertroffener Qualität mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Konsistenz hergestellt werden können. Die Nachteile sind jedoch offensichtlich: Die Heißpresse selbst ist äußerst kostspielig, verbraucht viel Energie und erfordert lange und teure Produktionszyklen. Daher wird sie normalerweise nur im Bereich Luftfahrt und bei Formel-1-Rennwagen eingesetzt, wo extremste Leistung gefordert ist.
（2）Pressformen
Ein äußerst effizientes Verfahren für die mittlere bis hohe Stückzahlproduktion. Dabei wird eine festgelegte Menge Prepreg oder Formmasse (wie SMC) in eine vorgeheizte Metallform eingelegt, die Form anschließend geschlossen und hohem Druck sowie hohen Temperaturen ausgesetzt, sodass das Material in den Formhohlraum fließt, diesen vollständig ausfüllt und nach Wärmeisolation und Druckhaltung aushärtet und geformt wird.
Die Vorteile dieses Verfahrens sind ein hoher Automatisierungsgrad, schnelle Produktion, hohe Maßgenauigkeit des Produkts sowie glatte Oberflächen auf beiden Seiten. Aufgrund der Notwendigkeit, eine druckfeste starre Form zu verwenden, sind jedoch die Anfangsinvestitionskosten höher. Es eignet sich besonders gut für die Herstellung von großen Bauteilen mit hoher Oberflächenqualität, wie beispielsweise Karosserieteile, Batteriegehäuse und leistungsstarke Sportgeräte.
（3）Vakuumbeutel-Formgebung
Ein grundlegendes und häufig verwendetes Verfahren, das den atmosphärischen Druck nutzt, um Verbundwerkstoffe zu verdichten. Eine Reihe von Hilfsmaterialien wird mit einer manuell verklebten oder Prepreg-Schicht bedeckt, und das gesamte System wird mit einer Vakuumfolie abgedichtet, die kontinuierlich von einer Vakuumpumpe evakuiert wird, um einen Unterdruck zu erzeugen, wodurch der Luftdruck gleichmäßig auf die Oberfläche des Produkts wirkt, die Luft entfernt und die Struktur verdichtet wird.
Dieses Verfahren kann den Fasergehalt deutlich erhöhen, die Porosität verringern und die Gleichmäßigkeit der Harzverteilung verbessern, und seine Kosten sind deutlich niedriger als die eines Heißpressbehälters. Es kann jedoch nur einen maximalen Druck von etwa 0,1 MPa bereitstellen, und die Leistungsgrenze ist nicht so hoch wie bei Hochdruckverfahren. Es wird daher häufig im Schiffbau, bei Prototypen sowie bei Verbundteilen mit mittleren Leistungsanforderungen eingesetzt.
（4）Rollwickeln
Ein gerichteter Prozess, der sich auf die Herstellung von hochleistungsfähigen dünnwandigen Rohren spezialisiert hat. Das Carbonfaser-Prepreg wird in einem bestimmten Winkel geschnitten und anschließend präzise unter Zugbelastung auf einen Kern gewickelt, meist gefolgt von einer Umschließung mit einem Pressband, um Verdichtungsdruck auszuüben, danach im Ofen erhitzt und ausgehärtet und schließlich entformt, um das Rohr zu erhalten.
Dieser Prozess ermöglicht eine präzise Steuerung der Faserausrichtung (z. B. Kombinationen aus 0°, ±45°) und erzielt hervorragende axiale zyklische mechanische Eigenschaften bei guter Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität. Allerdings ist er auf Prepregs und Kerne angewiesen, weist eine begrenzte Produktionseffizienz auf und wird hauptsächlich in hochwertigen Sportartikeln wie Golfschläger-Schäften, Angelruten und Fahrradgabeln eingesetzt.
（5）Fadenwicklung
Ein automatisierter Prozess zur Herstellung rotatorischer hochfester Bauteile. Das kontinuierliche Kohlenstofffasergarn wird in einem Harzbad getränkt und anschließend präzise durch einen computergesteuerten Wickelkopf in voreingestellten Profilen und Winkeln auf einen rotierenden Kern aufgelegt, bis die vorgesehene Dicke erreicht ist, und danach zur Form ausgehärtet.
Der größte Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Fasern kontinuierlich und gleichmäßig unter Spannung stehen, was einen äußerst hohen Faservolumengehalt und eine optimale Ausnutzung der Festigkeit ermöglicht, insbesondere bei Behältern, die Innendruck ausgesetzt sind. Allerdings ist es auf konvexe rotationssymmetrische Formen beschränkt und erfordert teure Ausrüstung. Typische produkte sind Hochdruckgasflaschen (CNG/Wasserstoff), Rohre und Raketenantriebsgehäuse.
（6）Pultrusion
Ein äußerst effizientes Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Profilen mit konstantem Querschnitt aus Verbundwerkstoffen. Wie bei „Spaghetti“ werden kontinuierliche Kohlenstoffasergarne oder Gewebe durch ein Harzbad gezogen, um sie zu imprägnieren, anschließend durch eine beheizte Präzisionsstahlform geführt, in der sie vorgeformt, verdichtet und kontinuierlich ausgehärtet werden, danach von einem Zuggerät herausgezogen und auf eine konstante Länge geschnitten.
Das Verfahren ist äußerst produktiv und ermöglicht eine automatisierte, kontinuierliche Fertigung, eine hohe Ausnutzung der Rohmaterialien sowie erhebliche Kosteneffizienz. Allerdings sind die Produkte auf lineare Profile mit konstantem Querschnitt beschränkt, und die Längssteifigkeit ist deutlich höher als die Quersteifigkeit. Typische Produkte sind Fachwerkbrückenbauteile, Kabelbrücken, Leiterstangen sowie verschiedene Stäbe und Profile.
（7）Drucktaschen-Formgebung
Es kann als eine verbesserte Version der Vakuumbeutel-Formgebung betrachtet werden. Aufbauend auf dem Vakuumbeutelsystem wird die gesamte eingekapselte Form in einen druckdichten Behälter platziert, der nicht nur das Innere evakuiert, sondern auch Druckluft in den Behälter leitet, wodurch ein höherer positiver Druck (normalerweise 0,4–0,6 MPa) auf die Außenseite des Vakuumbeutels ausgeübt wird und somit höhere Formdrücke als beim reinen Vakuumverfahren ermöglicht.
Dieses Verfahren verbessert deutlich den Fasergehalt und die Verdichtung des Bauteils, ohne dass eine große Investition in einen Heißpressbehälter erforderlich ist, und übertrifft das reine Vakuumbeutel-Verfahren. Es eignet sich ideal zur Herstellung großer Bauteile, die nicht in einen Heißpressbehälter passen, wie beispielsweise Schiffsrümpfe kleiner bis mittlerer Größe, Zugwagenteile und große Radome.

Vergleich von Verfahren zur Formgebung von Carbonfaser-Prepregs

Zukunft: Innovation im Erbe

Tradition bedeutet nicht Stagnation. Heute durchbricht die Industrie Engpässe durch „Mikro-Innovationen“: Zum Beispiel die Entwicklung von niedrigtemperaturhärtenden, schnellhärtenden Harzen, die die Aushärtezeit von 2 Stunden auf 30 Minuten verkürzen; die Einführung automatisierter Laminieranlagen, die das manuelle Schichten ersetzen und die Effizienz verbessern; sowie die Integration von KI-Algorithmen in die Formkonstruktion, um die Druckverteilung zu optimieren und Fehler zu reduzieren.
Diese Verbesserungen haben es traditionellen Verfahren ermöglicht, ihre Leistungsvorteile beizubehalten und sich gleichzeitig schrittweise hin zu „hoher Effizienz und niedrigen Kosten“ zu entwickeln, wodurch sie weiterhin eine wichtige Rolle im Bereich der Verbundwerkstoffe spielen.
Von Raumfahrzeugen bis hin zu Sportgeräten interpretiert die traditionelle Methode des Prepreg-Formens mit Kohlefaser das Herstellungsprinzip „langsam und stetig“ durch solide Handwerkskunst. Sie mag nicht die fortschrittlichste sein, doch in Szenarien, bei denen extreme Zuverlässigkeit erforderlich ist, stellt diese „Tradition“ genau die wertvollste Qualitätssicherung dar.