Manufacturing process development for composite materials using microwave technology

Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer sehr guten gewichtsspezifischen Eigenschaften immer häufiger in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Ihr Einsatz macht es möglich durch die Gewichtsreduktion einen geringeren Spritverbrauch und folglich eine Reduktion der Betriebskosten zu erzielen. Das Aushärten der Bauteile erfolgt heute in erster Linie im Autoklav. Dieser Prozess dauert oft mehrere Stunden, hat einen hohen Energieverbrauch und ist daher kostenintensiv. Um die Herstellungskosten zu reduzieren und das Produktionsvolumen zu erhöhen, werden neue Prozesse mit einem besseren Nutzungsgrad untersucht. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die Grundlagen für die Entwicklung neuer Prozesse zu schaffen mit deren Hilfe Faserverbundwerkstoffe mit der Mikrowellentechnologie hergestellt werden können. Die Vorteile der Mikrowellen-aushärtung (volumetrische und selektive Erwärmung) sollen die Prozesszeit und den Energieverbrauch verringern und zur Kostenreduktion beitragen. Zwei Ansätze wurden dabei verfolgt. Beim ersten Ansatz wurde eine Adaption des Vacuum Assisted Process (VAP) entwickelt. Dieser Prozess wird im Umluftofen bereits eingesetzt und ist allgemein bekannt. Der zweite Ansatz beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Prozesses zur Herstellung von Phenolschäumen. Dabei sollen die dielektrischen Eigenschaften des Materials optimiert werden, um ein Aushärten in der Mikrowelle zu ermöglichen. Das im Rahmen der vorliegenden Dissertation verwendete Phenolharz enthält einen hohen Anteil an Wasser, welches über eine gute Mirkowellenabsorption verfügt. Die guten dielektrischen Eigenschaften sollen es ermöglichen das Harz ohne Einsatz von Blähmitteln aufzuschäumen. Bei der Entwicklung eines adaptierten VAP sind verschiedene Modifikationen des Vakuumaufbaus erforderlich, um eine Nutzung im Mikrowellenofen zu ermöglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine hohe thermische Leitfähigkeit des Werkzeugmaterials erforderlich ist, um eine gute Temperaturverteilung im Bauteil während des Aushärtens zu erreichen. Der Einsatz eines Aluminiumwerkzeuges führt zur Verkürzung der Prozesszeit und zur Reduzierung des Energieverbrauches, ohne die mechanischen Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Life Cycle Assessment Analysen zeigen, dass der Einfluss des neuen Prozesses auf die Umwelt besser ist, als die des Standard-VAPs. Der neu entwickelte Prozess zur Herstellung von Phenolschäumen im Mikrowellenofen erlaubt dank eines geschlossenen Werkzeuges das Aushärten von reproduzierbar homogenen Schäumen mit einer Dichte von etwa 40-50 Kg/m3. Um den Prozess zu optimieren, wurden mehrere Leistungen und maximale Aushärtungstemperaturen geprüft. Darüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Nukleierungsmittel untersucht. Additive wurden benutzt, um die mechanischen Eigenschaften der Schäume zu untersuchen. Untersuchungen mit dem optischen Mikroskop und Drucktest wurden durchgeführt, um dies zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Nukleierungsmittel einen großen Einfluss auf die Mikrostruktur des Schaums und damit auf die Druckfestigkeit hat. Die Aushärtungsparameter (Leistung, maximale Temperatur) sind relevante Größen, um einen homogenen Schaum herzustellen. Der Einsatz von Blähmitteln, die in der Regel toxisch sind, war dank der Mikrowellentechnologie nicht mehr erforderlich.