JÄGER Busi­ness Blog

Vaku­um­in­fu­si­on für groß­flä­chi­ge Faser­ver­bund­bau­tei­le –

Eine Alter­na­ti­ve zum Spritzguss

23.02.2022   | Aaron Stoffers

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Spritz­guss­ver­fah­ren eig­nen sich her­vor­ra­gend für die Groß­se­ri­en­pro­duk­ti­on von Kunst­stoff­kom­po­nen­ten. Hat sich das Werk­zeug ein­mal amor­ti­siert, sind die Stück­kos­ten rela­tiv gering. Für Klein­se­ri­en ist die­se Fer­ti­gungs­tech­nik jedoch oft unren­ta­bel, da der Werk­zeug­bau bei gerin­gen Stück­zah­len oft­mals einen über­pro­por­tio­na­len Anteil an den Her­stel­lungs­kos­ten dar­stellt. Als Alter­na­ti­ve für groß­flä­chi­ge Tei­le bie­ten sich Faser­ver­bund­werk­stof­fe an, die in der Regel per Vaku­um­in­fu­si­on gefer­tigt werden.

Wie funk­tio­niert das Verfahren?

Spritz­guss und Vaku­um­in­fu­si­ons­ver­fah­ren basie­ren auf unter­schied­li­chen Prin­zi­pi­en. Beim Spritz­guss wird der flüs­si­ge Werk­stoff unter hohem Druck in die Form gepresst, wäh­rend die Vaku­um­in­fu­si­on das Mate­ri­al per Unter­druck einsaugt.

In der Pra­xis wird zunächst eine Lami­nat­form, wel­che die spä­te­re Form des Bau­teils fest­legt, mit einer Schicht Gel­coat bestri­chen. Dann wer­den prä­zi­se zuge­schnit­te­ne Faser­mat­ten in die Kon­tu­ren der Form ein­ge­legt, wel­che den Kern des Ver­bund­werk­stoffs bil­den. Die Zusam­men­set­zung die­ser Mat­ten hängt vom Ein­satz­be­reich ab. Ver­brei­tet sind vor allem Glas- und Koh­le­fa­sern, aber auch Ara­mid­fa­sern (z.B. Kev­lar) oder ver­schie­de­ne mine­ra­li­sche (Basalt) oder pflanz­li­che (Jute, Flachs, Baum­wol­le) Fasern kön­nen zum Ein­satz kom­men. Für die Infu­si­on wer­den an vor­de­fi­nier­ten Stel­len Infu­si­ons­schläu­che plat­ziert und die Form rings­um mit einer Folie abge­dich­tet.

Sobald die Vor­be­rei­tung abge­schlos­sen ist, wird die Luft unter der Folie abge­saugt, sodass ein Vaku­um ent­steht. Über die Schläu­che wird nun flüs­si­ges Harz in die Form gelei­tet, wel­ches durch das Vaku­um in alle Ecken und Frei­räu­me „gezo­gen“ wird. Die Mas­se wird also nicht aktiv in die Form gepresst, son­dern vom Umge­bungs­druck in die eva­ku­ier­te Form gedrückt. Damit kei­ne tro­cke­nen Stel­len ver­blei­ben, wird etwas mehr Harz ein­ge­pumpt als nötig. Das über­schüs­si­ge Mate­ri­al wird auf­ge­fan­gen und nach Mög­lich­keit wei­ter­ver­wer­tet. Anschlie­ßend här­tet die Harz­mi­schung unter Vaku­um aus und ver­bin­det sich mit den Faser­mat­ten zu einem faser­ver­stärk­ten Werk­stoff.
Die fol­gen­de Abbil­dung ver­an­schau­licht das Prin­zip. Oben wird das Harz durch die bei­den Zulei­tun­gen in das Lami­nat ein­ge­lei­tet. Es wan­dert lang­sam in einer sog. Fließ­front (Gren­ze zwi­schen dun­kel- und hell­gelb) durch das Bau­teil, wäh­rend am unte­ren Ende über die wei­ße Saug­lei­tung wei­ter­hin der Unter­drück auf­recht­erhal­ten wird. Schließ­lich erreicht die Fließ­front die Saug­lei­tung und der Befüll­pro­zess kommt zum Erliegen.

Beispiel einer Vakuuminfusion

Bei­spiel einer Vakuuminfusion

Vor- und Nach­tei­le von Faserverbundwerkstoffen

Bau­tei­le aus Faser­ver­bund­werk­stof­fen sind bei glei­chen Leis­tun­gen oft deut­lich leich­ter als Kunst­stoff­bau­tei­le aus Spritz­guss­fer­ti­gung, da die Fasern dem Mate­ri­al in Längs­rich­tung extre­me Fes­tig­keit ver­lei­hen und somit indi­rekt das Bau­teil­ge­wicht sen­ken, da weni­ger Mas­se für die­sel­be Belast­bar­keit benö­tigt wird. Die­se Eigen­schaft macht Faser­ver­bund­werk­stof­fe attrak­tiv für alle Ein­satz­be­rei­che, in denen Gewichts­re­du­zie­rung eine Rol­le spielt, z. B. Motor­sport, Boots­bau oder Luft- und Raumfahrt.

Eine Beson­der­heit von Faser­ver­bund­werk­stof­fen ist, dass ihre Stei­fig­keit und Zug­fes­tig­keit von der Aus­rich­tung der Fasern inner­halb der Ver­bund­ma­trix abhän­gen. Dadurch las­sen sich ihre mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten fle­xi­bel auf den Anwen­dungs­be­reich zuschnei­den. Dies ren­tiert sich sowohl preis­lich als auch hin­sicht­lich des Gewichts, da die Bau­tei­le gezielt ent­lang der Span­nungs­ver­läu­fe im Ein­satz hin opti­miert wer­den können.

Ein Bei­spiel: Mit Faser­ver­bund­stof­fen ist es mög­lich, leich­te­re Zug­stä­be zu ent­wi­ckeln, die gegen­über Belas­tun­gen in Zug­rich­tung enorm sta­bil sind, ortho­go­na­le Kräf­te (die sel­te­ner vor­kom­men) jedoch weni­ger gut aushalten.

Der Nach­teil von faser­ver­stärk­ten Kunst­stof­fen zeigt sich gegen Ende ihrer Lebens­dau­er. Im Gegen­satz zu Spritz­guss­tei­len sind Faser­ver­bund­tei­le nicht ohne Wei­te­res recy­cel­bar. Grund dafür ist die che­mi­sche Zusam­men­set­zung des Werk­stoffs. Es han­delt sich nicht um eine homo­ge­ne Mas­se, son­dern um eine Ver­bin­dung aus Poly­me­ren (oft­mals Durome­re) und Ver­stär­kungs­fa­sern, die mit­ein­an­der ver­kle­ben. Die­ser Ver­bund ist pro­zess­tech­nisch kaum umkehr­bar. Auf die­se Wei­se gefer­tig­te Kom­po­nen­ten kön­nen daher nicht ein­fach ein­ge­schmol­zen und wie­der­ver­wer­tet werden.

Dies ist zum einen nach­tei­lig für die Umwelt­bi­lanz des Unter­neh­mens, da Faser­ver­bund­stof­fe nicht bio­lo­gisch abbau­bar sind und auf­wen­dig besei­tigt wer­den müs­sen. Zum ande­ren scha­det es der Wirt­schaft­lich­keit, da das Unter­neh­men die Ent­sor­gung ver­an­las­sen und finan­zie­ren muss – eine Her­aus­for­de­rung, die bei­spiels­wei­se die Betrei­ber von Off­shore-Wind­parks aktu­ell beschäf­tigt. Aus die­sem Grund sind Faser­ver­bund­stof­fe für Anwen­dungs­be­rei­che mit kur­zer Lebens­dau­er kri­tisch zu bewerten.

Vaku­um­in­fu­si­on eines Rotor­blatts im Detail

Vaku­um­in­fu­si­on vs. Spritzguss

Eini­ge der Vor- und Nach­tei­le von faser­ver­stärk­ten Kunst­stof­fen erge­ben sich nicht aus den Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten, son­dern aus dem Her­stel­lungs­ver­fah­ren. Da die Vaku­um­in­fu­si­on kei­ne hoch­druck­re­sis­ten­ten Werk­zeu­ge benö­tigt, sind die Inves­ti­ti­ons­kos­ten deut­lich nied­ri­ger, was sich ins­be­son­de­re bei klei­nen Stück­zah­len bemerk­bar macht. Die­ser Umstand macht Faser­ver­bund­werk­stof­fe ins­be­son­de­re für Klein­se­ri­en attrak­tiv, bei wel­chen die hohen Kos­ten des Werk­zeug­baus oft nicht über hohe Stück­zah­len ver­teilt wer­den können.

Zudem ist die Vaku­um­in­fu­si­on für groß­flä­chi­ge Bau­tei­le bes­ser geeig­net, da Lami­nat­for­men mit weni­ger Auf­wand her­zu­stel­len sind. Einen meter­lan­gen Boots­rumpf per Spritz­guss zu fer­ti­gen wäre bei­spiels­wei­se weder wirt­schaft­lich noch ziel­füh­rend. Eine ent­spre­chen­de Form manu­ell aus­zu­klei­den ist dage­gen mit deut­lich weni­ger Auf­wand machbar.

Die hohe Anzahl manu­el­ler Arbeits­schrit­te ist aller­dings auch eine Schwä­che der Vaku­um­in­fu­si­on, wenn es um Groß­se­ri­en geht. Der Zeit­auf­wand ska­liert sehr schlecht. Sobald grö­ße­re Men­gen eines Bau­teils gefor­dert sind, ver­liert die­ses Her­stel­lungs­ver­fah­ren an Wirt­schaft­lich­keit. Daher eig­net sich die Vaku­um­in­fu­si­on beson­ders für Klein­se­ri­en oder Ein­zel­pro­jek­te.

Fazit

Die Vaku­um­in­fu­si­on ist ein gän­gi­ges Ver­fah­ren für die Her­stel­lung von Faser­ver­bund­bau­tei­len. Sie eig­net sich beson­ders gut für Klein­se­ri­en oder Manu­fak­tu­ren, da die Inves­ti­ti­ons­kos­ten für For­men und Werk­zeu­ge ver­gleichs­wei­se gering sind und die Eigen­schaf­ten des Werk­stoffs indi­vi­du­ell auf den Ein­satz­be­reich zuge­schnit­ten wer­den kön­nen. Auch sehr groß­flä­chi­ge Bau­tei­le sind kein Problem.

Für die Groß­se­ri­en­pro­duk­ti­on ist die­ser Fer­ti­gungs­an­satz aller­dings weni­ger geeig­net, da er eine hohe Zahl manu­el­ler Arbeits­schrit­te beinhal­tet. Das Auto­ma­ti­sie­rungs­po­ten­zi­al ist daher ein­ge­schränkt und ska­liert schlecht bei Großserien.

Für Klein­se­ri­en ist die Vaku­um­in­fu­si­on aller­dings sehr gut geeig­net. Das Ver­fah­ren soll­te bei ent­spre­chen­den Pro­jek­ten immer in Erwä­gung gezo­gen werden.

Hinweis 

Wir haben meh­re­re Spe­zia­lis­ten für Faser­ver­bund­stof­fe in unse­rem Part­ner­netz­werk und auch schon eini­ge Pro­jek­te abge­schlos­sen. Spre­chen Sie uns an, falls Sie Bedarf haben! 

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Portraitfoto des Mitarbeiters Aaron Stoffers.

Autor: Aaron Stoffers

Aaron Stoff­ers hat an der Hoch­schu­le Han­no­ver dual Maschi­nen­bau stu­diert und spä­ter ein Mas­ter­stu­di­um in BWL absol­viert. Seit 2019 ist er bei der Jae­ger Mare Solu­ti­ons als Pro­jekt­ma­na­ger im Bereich Off­shore-Wind­ener­gie tätig. 

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