Fraunhofer Institut: Mit Licht leicht gemacht

Sie sind leicht, stabil und korrosionsbeständig, daher sind faserverstärkte Kunststoffe ein idealer Werkstoff für den Boots- und Automobilbau sowie für die Luft- und Raumfahrt. Denn es gilt: je leichter desto besser. So lassen sich beispielsweise mit einem leichteren Mountainbike Berge einfacher bezwingen, ein Auto mit weniger Gewicht spart Sprit. Auch bei Flugzeugen, Satelliten und Windrädern feilschen die Konstrukteure um jedes Gramm.

Faserverstärkte Kunststoffe sind fünfzig bis siebzig Prozent leichter als Stahl, fünfzehn bis zwanzig Prozent leichter als Aluminium, ihre Stabilität und Bruchfestigkeit sind hoch. Allerdings war die Verarbeitung dieser Kunststoffe bislang sehr umfänglich und teuer. So müssen Hersteller mit aufwendigen Formwerkzeugen arbeiten, die mit Glas- oder Kohlefasermatten ausgelegt werden. Anschließend saugt eine Pumpe die Luft ab, bevor flüssiges Harz die Matten tränkt. Das Vakuum verhindert, dass sich an den Fasern Luftbläschen sammeln, die später die Stabilität beeinträchtigen. Zudem werden zum Aushärten riesige Öfen benötigt, und am Ende müssen die Bauteile auch noch verklebt werden.

Dieses aufwendige Prozedere könnte in Zukunft entfallen: Auf der JEC Composites Show 2010 vom 13. bis 15. April in Paris zeigen Fraunhofer-Forscher, wie sich faserverstärkte Kunststoffe mit Laserlicht schnell, sauber, zuverlässig und automatisiert herstellen lassen, ohne dass mit Matten und Harz hantiert werden muss.

Die Ingenieure und Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT haben ein Verfahren entwickelt, um faserverstärkte Kunststoffe vollautomatisch herstellen zu können. Dabei sind die Kohlefasern in kilometerlange Kunststoffbänder aus aufschmelzbarem Thermoplast integriert. Trotz ihres geringen Gewichts sind dieses Bänder überdurchschnittlich belastbar. Um aus den Bändern stabile Bauteile werden zu lassen, stapelt man mehrere Bandlagen aufeinander, die kurz vor dem Ablegen mit dem Laser angeschmolzen und dann zu einer kompakten Struktur zusammengepresst werden. So verschmelzen die Bänder miteinander und kühlen schnell wieder aus, da der Laser die Energie zielgerichtet und wohldosiert an das Material abgibt. Energie- und Zeitaufwand werden minimiert. Im Vergleich mit herkömmlichen Fertigungsverfahren erhält man außerdem eine noch bessere Qualität. Die Nachfrage der Industrie nach dem neuen Verfahren ist daher schon jetzt, noch während der Prototypenphase, ausgesprochen hoch.

Mit Laserstrahlen lassen sich selbst kompliziert geformte und sperrige Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff so stabil verschmelzen, dass sie den hohen Anforderungen der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie genügen. „Hier muss das Material enormen Beschleunigungen, Vibrationen und Temperaturdifferenzen standhalten, dabei wird 200-prozentige Sicherheit verlangt“, erklärt Wolfgang Knapp vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnologie ILT.