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Fraunhofer IWS: Forscher gewinnt Award für Forschungen an Faser-Kunststoff-Verbunden

  • In einem ersten konkreten Anwendungsfall gelang es dem Team, Flugzeugtragflächen aus FKV mit einem Mehrschichtheizsystem zu beschichten.
    Die Projektergebnisse des Teams um Manuel Reif zum Beheizen von Flugzeugtragflächen können auch auf Windkraftanlagenflügel übertragen werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich dort, wo das Gewicht einen zentralen Faktor darstellt – etwa in der Automobilindustrie, im Zugverkehr oder Schiffsbau.

Funktionalisierte Faser-Kunststoff-Verbunde sollen Metalle ersetzen – daran arbeitet ein Team um Manuel Reif. Der Forscher aus der Gruppe Thermisches Spritzen wurde nun für seine Forschungen im Leichtbau mit dem Oerlikon Metco Young Professionals Award ausgezeichnet. Sie haben eine Lösung gefunden, Faser-Kunststoff-Verbunde so zu funktionalisieren, dass sie auch dort zum Einsatz kommen können, wo bislang Metalle überlegen waren. Am Beispiel einer Flugzeugtragfläche zeigten sie, wie sich mittels thermischen Spritzens Mehrschichtheizsysteme aufbringen und gleichzeitig das Gewicht verringern lassen.

Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und zunehmend effizienten Fertigungsprozessen sind Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) aus modernen Leichtbaukonzepten nicht mehr wegzudenken. Sie weisen hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf, was sie als Werkstoffe in Leichtbauanwendungen prädestiniert. Insbesondere die Funktionalisierung von FKV trifft auf starkes Interesse in der weltweiten Forschungslandschaft. Dem Team um Manuel Reif, Forscher aus der Gruppe Thermisches Spritzen am Fraunhofer IWS, ist es gelungen, FKV unter Verwendung eines Abreißgewebes für das anschließende Funktionalisieren mittels Thermischen Spritzens vorzubereiten. Leichtbaukonzepte auf FKV-Basis lassen sich so überall dort einzusetzen, wo aufgrund der medialen Anforderungen Metalle bislang überlegen waren. In einem ersten konkreten Anwendungsfall gelang es dem Team, Flugzeugtragflächen aus FKV mit einem Mehrschichtheizsystem zu beschichten (Anti-Icing Funktion). Der Einsatz von FKV reduziert das Gewicht von Bauteilen wie Tragflächen und senkt damit den Kraftstoffverbrauch von Flugzeugen. Ehrgeizige Klima- und Umweltziele in der Luftfahrt lassen sich so zukünftig leichter realisieren.

Innovatives Abreißgewebe schafft Voraussetzung für ein breites Anwendungsspektrum
Das Thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzpartikel innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden. "Die größte Herausforderung bestand zunächst darin, umfangreiche Prozessanpassungen vorzunehmen, um die empfindlichen FKV-Oberflächen beim Thermischen Spritzen nicht zu beschädigen", berichtet Manuel Reif. "In einem weiteren Schritt galt es, die Oberflächen derart vorzubereiten, dass aufgespritzte Beschichtungen auch permanent haften." Letzteres geschieht bislang unter Einsatz des Sandstrahlens – ein in der Regel für FKV begrenzt einsetzbares Verfahren, da die Oberfläche durch das Sandstrahlmittel zu stark angegriffen wird. Abhilfe schafft ein neu patentiertes "Vorbereitungsverfahren mit Abreißgewebe". Hierbei handelt es sich um ein Nylongewebe, das auf die FKV-Oberfläche während der Fertigung aufgetragen und vor dem Beschichten wieder abgezogen wird, um die Oberfläche definiert anzurauen. Dabei vermeidet die neuartige Vorbehandlung jegliche Schädigung des Substrats und lässt sich – anders als beim Laserstrukturieren – bereits während des Herstellungsprozesses von FKV-Bauteilen einsetzen.

In Kombination mit dem flexibel einsetzbaren atmosphärischen Plasmaspritzen lassen sich nicht nur verschiedenste Beschichtungswerkstoffe verarbeiten, sondern auch zahlreiche funktionale Schichteigenschaften auf FKV erzeugen. "Die Spanne potentieller industrieller Anwendungsmöglichkeiten ist sehr breit. Mithilfe unseres Verfahrens lassen sich zum Beispiel metallische Eigenschaften auf FKV-Oberflächen erzeugen, die elektrisch leitfähig sind und damit vor elektromagnetischen Einflüssen schützen", betont Reif. Neben selbstreinigenden und elektrisch beheizbaren Schichten können unter anderem auch Schutzschichten realisiert werden. "Die positiven Projektergebnisse zum Beheizen von Flugzeugtragflächen können wir zukünftig auch auf Windkraftanlagenflügel für die Enteisung übertragen. Außerdem lässt sich unser Verfahren zur Bauteilfunktionalisierung überall dort anwenden, wo das Gewicht einen zentralen Faktor darstellt – etwa in der Automobilindustrie, im Zugverkehr oder Schiffsbau."

Oerlikon Metco prämiert Forschungsergebnisse
Für seine innovative Oberflächenmodifikation und die dadurch realisierbare Funktionalisierung von FKV hat das Schweizer Unternehmen Oerlikon Metco Manuel Reif mit dem Young Professionals Award ausgezeichnet. Die Prämierung fand während der International Thermal Spray Conference 2021 (ITSC) statt. Reif setzte sich dabei mit seiner überzeugenden Präsentation online gegenüber zehn anderen Bewerbern durch. Inbegriffen ist ein Geldpreis sowie die Möglichkeit, Oerlikon Metco an einem ihrer Standorte zu besuchen. Seinen Vortrag zur Beschichtung von FKV mit einem Mehrschichtheizsystem können Sie sich online nachfolgend ansehen.

Weiterführende Links

www.iws.fraunhofer.de

Bild: Fraunhofer IWS / © René Jungnickel