Leichtbau-Durchbruch Faserverstärkte Composites jetzt günstiger reparieren

Redakteur: Peter Königsreuther

Die Reparatur von Faserverbundwerkstoffen, man denke etwa an CFK, ist relativ teuer und aufwendig. Ein Unternehmen beweist jetzt, dass das nicht sein muss.

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Thinking-Gewinner im Juli 2021: Flexin Heat heißt eine Methode der Msquare GmbH, mit der sich Leichtbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen wirtschaftlich reparieren lassen. Das geschieht mit punktgenau treffender Induktionswärme.
Thinking-Gewinner im Juli 2021: Flexin Heat heißt eine Methode der Msquare GmbH, mit der sich Leichtbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen wirtschaftlich reparieren lassen. Das geschieht mit punktgenau treffender Induktionswärme.
(Bild: Msquare)

Flexin Heat heißt ein Verfahren für das induktive, konturgenaue Aufheizen von Bauteilflächen. Entwickelt wurde sie von der Msquare GmbH. Sie schafft die Voraussetzung zum einfachen Reparieren aller Arten von faserverstärkten Kunststoffen. Dadurch wird die Lebensdauer von Faserbauteilen deutlich verlängert, ihr Einsatz folglich rentabler. Außerdem eröffne die Technik neue Möglichkeiten des Formens und Fügens – sowohl für Composites mit duromerer Matrix als auch für solche mit thermoplastisch gebundenen Fasern. Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem monatlichen Thinking, für den Juli 2021.

Compositereparatur mit bis zu 400 °C

Leichtbau ermöglicht zukünftige energieeffiziente und damit klimafreundliche Mobilität. Wirklich klimaschonend sind Leichtbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen aber vor allem dann, wenn ihre Lebensdauer durch Reparaturen verlängert werden kann, damit sie so lange wie möglich ihre Funktion sicher erfüllen. Doch ausgerechnet bei dieser zukunftsträchtigen Werkstoffgruppe ist das mit dem Reparieren nicht so trivial, wie bei anderen Materialien.

Die Msquare GmbH hat aber jetzt eine Möglichkeit zu bieten, die nur aus wenigen einfach zu handhabenden Komponenten braucht, um Composites bei Temperaturen bis 400 °C schnell und relativ simpel zu reparieren – Flexin Heat genannt. Auch Bauteile mit gekrümmten Oberflächen können damit wieder auf Vordermann gebracht werden, heißt es.

So funktioniert die FVK-Reparatur

Bei einem Reparaturvorgang per Flexin Heat wird zunächst die schadhafte Stelle geschäftet, um anschließend ein Reparaturpatch zu implementieren, das mithilfe einer Klebefolie auf der Schadstelle fixiert wird. Dann wird ein dünnes Blech oder Metallnetz konturnah zurechtgeschnitten und auf die Schadstelle aufgelegt, erklärt Msquare.

Der wichtigste Schritt sei der letzte. Dabei kommt die FlexIn-Heat-Induktionsmatte (rot im Bild) ins Spiel. Bei ihr handelt es sich um eine Silikonmatte mit innerem Trägergewebe, auf das die patentierten, flexiblen Induktionsspulen aufgestickt sind. Setzt man sie unter Vakuum, wird die Luft aus definierten Kanälen am Rand der Heizmatte abgesaugt. Die Matte legt sich eng an die Compositeoberfläche an. Die Reparaturstelle ist somit luftdicht versiegelt und der erforderliche Druck wirkt auf sie.

Nach dem Anlegen elektrischer Spannung wird das Blech – auch Suszeptor genannt – durch induzierte Wirbelströme erwärmt. Durch den Anpressdruck geht das Reparaturpatch mit dem umgebenden Material des Bauteils eine stoffschlüssige Verbindung ein (thermoplastische Matrix) respektive das Harz (Duromermatrix) härtet schneller aus.

Als Suszeptoren können magnetische und nichtmagnetische Metallbleche, -folien oder -geflechte genutzt werden, aber auch Carbonfasern in Form von Geweben oder Gelegen. Der Generator sowie die Steuer- und Regeleinheit sind in einer mobilen Reparatureinheit untergebracht. Das Verfahren kann deshalb überall eingesetzt werden, wo ein Stromanschluss ist.

Das induktive Funktionsprinzip bei Flexin Heat sei einfach und energieeffizient. Denn durch das auf die Schadstellen zugeschnittene Blech wird nur der Teil des Bauteils erwärmt, der zu reparieren ist. Das induktive Heizverfahren kann lokal deutlich höhere Temperaturen erreichen, als bisherige großflächige Heizmethoden. Deshalb eigne es sich auch für Matrizes aus Hochleistungsthermoplasten, wie die Kunststoffe PEEK, PAEK, PPS, PEI, PA und PEKK.

Es wird, physikalisch bedingt, nur die exakt zugeschnittene Suszeptorfläche warm. Soll carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) repariert werden, ist übrigens das direkte Erhitzen der im Kunststoff eingebetteten Fasern möglich.

Luftfahrt und Windkraft profitieren schon

Ergänzt wird die Technologie durch eine umfangreiche intelligente Sensorik und ein modernes Bedienkonzept über WLAN, so dass der Anwender den Heizprozess über eine App auf mobilen Geräten präzise regeln und für die Qualitätssicherung umfangreiche Dokumentationen erstellen kann. Letzteres ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen notwendig, wie sie beispielsweise in der Luftfahrt typisch sind.

An Flugzeugen entstehen die Schäden übrigens zu etwa 70 Prozent am Boden: bei der Wartung, beim Start oder bei der Landung, durch aufgewirbelte Fremdkörper auf der Landebahn. Das Haupteinsatzgebiet von Flexin Heat ist derzeit deshalb die Luftfahrt. Aber auch an Windenergieanlagen dient sie zur Reparatur. Und zwar bei beschädigten Rotoren.

In einem Fall in der Luftfahrtbranche konnte durch das Verfahren die Aushärtezeit des verwendeten Epoxidharzes um fünf bis sechs Stunden verringert werden, betont Msquare.

Und künftig werden faserverstärkte Kunststoffe, vor allem mit Thermoplastmatrix, wahrscheinlich auch vermehrt in elektrisch angetriebenen Automobilen oder in der Urban-Air-Mobility eingesetzt, so dass auch dort Anwendungsbereiche für die Technik zu erwarten sind.

Composite-Nacharbeiten ohne Autoklav

Tatsächlich lässt sich Flexin Heat außer für Reparaturen noch wesentlich variabler einsetzen. Sie eignet sich etwa auch für Nacharbeiten an Composites, wie CFK oder GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff). Bei der Fertigung von Leichtbauteilen könnte mit diesem neuartigen und flexiblen Reparaturverfahren das Werkzeug punktgenau erwärmt werden, ohne dass es in einen Autoklav muss. Dadurch wird eine reaktionsschnelle, kontrollierte und variotherme Prozessführung möglich. Außerdem lassen sich durch induktives Erwärmen auch Composite-Bauteile mit Metallen fügen, um hybride Leichtbauteile mit stoffschlüssiger Verbindung zu erhalten.

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