Geringes Risiko, große Wirkung: Nanocomposites im Filament Winding-Prozess

„Herausforderungen der Gegenwart meistern“ – diese Formulierung trifft es derzeit wieder sehr genau. Die gewohnte Verfügbarkeit von Waren, Materialien und Energieträgern steht infrage. Auf der anderen Seite nimmt der Bedarf an Bauteilen und Konstruktionen aus leistungsfähigen Faserverbundwerkstoffen laut Studien rapide zu. Der Herstellungsprozess Filament Winding ist für die Produktherstellung im Energiesektor ebenso gefragt wie im Bereich Automotive oder Luftfahrt. Rohre, Zylinder, Walzen, Schläuche
u. v. m. müssen höchsten technischen und physikalischen Belastungen standhalten. Parallel herrscht ein enormer Preisdruck. Wie Sie den Filament-Winding-Prozess mit Nanocomposites noch besser ausschöpfen, erfahren Sie hier.

Filament Winding: Besonderheiten und Vorteile

Der Markt hält für die Produkte, die per Faserwickeln bzw. Filament Winding erzeugt werden, einen speziellen Sektor bereit. Schließlich entstehen in diesem Verfahren vornehmlich symmetrische und konvexe Formteile, die bedingt durch die Lage der eingesetzten Endlosfasern und die definierten Wickelwinkel ausgesprochen druckfest sein können.

Führen wir uns zunächst die Vorteile des Filament Windings vor Augen:

• Spezifische Designs und Formenvielfalt möglich
• hoher Automatisierungsgrad vorhanden, CNC-gesteuerte Fertigungsprozesse
• präziser Faserverlauf realisierbar und damit konstante Ergebnisse
• verschiedene Qualitätsstufen, z. B. der Steifigkeit, wählbar
• große Reproduzierbarkeit

Wie funktioniert Filament Winding?

Beim Filament Winding werden Kohle- oder Glasfasern in Harz getränkt und anschließend durch ein sogenanntes „Faserauge“ auf einen Wickelkern geleitet. Dieser dreht sich in gleichmäßigem Tempo, sodass sich die Fasern mit präzisem Winkel aufwickeln.

Die verschiedenen Prozesseinflussfaktoren, wie Bauteilgeometrie, Dimensionen, Ablagepfad, Spreizung etc. sind optimal aufeinander abzustimmen. Beispielsweise führt ein mit hoher Präzision eingestellter lastpfadgerechter Auftrag dazu, dass besonders wenig Material verbraucht wird. Das spart Ressourcen und Kosten.

Hochleistungsprodukte sind die Chance für den Leichtbau, Filament Winding ein Teil davon

Verfolgt man den Gedanken weiter, offenbaren sich automatisch die Zusammenhänge des Filament Winding mit dem Schlüsselthema Leichtbau. Geringer Materialeinsatz spart in der Regel Gewicht. Wie weit diese Faktoren ihre Wirkung ausspielen können, ist hinlänglich bekannt. In den meisten Industrien ist die Verwendung möglichst leichter Komponenten ein wesentlicher, manchmal alleinig ausschlaggebender Einfluss, der darüber entscheidet, ob eine Leichtbaulösung überhaupt aus der Taufe gehoben werden kann.

Darüber hinaus werden die Anforderungen, umweltschonend und mit geringstem Energie- und Materialverbrauch zu produzieren, immer größer. Für sensible, sicherheitsrelevante Bereiche muss es außerdem möglich sein, geprüfte und zertifizierte Faserverbundbauteile auf den Markt zu bringen. Beispiel: Wasserstofftanks für Luft- und Raumfahrt, für Verkehr auf der Schiene, im Wasser und auf der Straße.

Des Weiteren steht der Fakt im Raum, dass Kunststoffe vielseitige Möglichkeiten bieten, um für zahlreiche Anforderungen und Konstruktionen wirtschaftliche Lösungen entwickeln zu können. Deshalb sind Polymere nicht mehr austauschbar und befinden sich dank neuester Technologien in einem stetigen, anwendungsorientierten Fortschrittsmodus – hin zu

• optimalen Eigenschaften und Funktionalisierungen
• neuen Anwendungen
• Einsparungen von Bauteilgewichten (Leichtbau)
• Reduzierung von Energie- und Materialverbräuchen – im Herstellungsprozess und bei der späteren Nutzung der gewichtsreduzierten Konstruktionen oder Halbzeuge

Kurzer Begriff, Endlosfasern: GFK ist ein Erfolgsrezept

Druckfeste Behälter, Rohre, Walzen oder auch Rotorblätter für Windkraftanlagen gehören definitiv zu den positiven Beispielen der Kunststofftechnik, die aus unserer Welt nicht mehr wegzudenken sind. Produkte aus GFK, CFK oder anderen Hightech-Kunststoffen ermöglichen es uns, zukunftsweisende Werkstoffe und Werkstoffverbünde für Schlüsselbranchen bereitzustellen.

Viele GFK-Wickelfaser-Lösungen (Rohre, Tanks, konische Zylinder etc.) leisten ihren Dienst in komplexen Infrastrukturen, in der Öl- und Gasindustrie, Chemieindustrie oder im Anlagenbau. Laut AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. ist das Marktsegment der GFK-Produkte im Jahr 2021 um 5,4 % gewachsen. Der Marktbericht ‚Composites‘ stellt in den Bereichen ‚Rohr/Tank/Anlagenbau‘ noch ein beträchtliches Wachstumspotenzial in Aussicht.

Mit Glasfasern verstärkte Kunststoffe gehören zu den gängigen Faser-Matrix-Kombinationen, die für mechanisch stark beanspruchte Bauteile Verwendung finden. Ebenso können endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen auf Carbonfasern basieren. Fest steht, dass GFK und CFK heute in vielen Serienproduktionen die Hauptrollen spielen.

Diese dynamische Entwicklungsgeschichte wird unter anderem durch die Nutzung von Zusatzstoffen in der Kunststoffproduktion und -verarbeitung untermauert. Sei es beim Pultrationsverfahren, Filament Winding, Fließpressen oder RTM – die Abstimmung von Faser und Matrix ist um die regulierenden Faktoren zu ergänzen. Im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen kann zusammengefasst werden, dass den Herstellungsverfahren ein recht hoher Einfluss auf das Endergebnis zuzuschreiben ist.

Zuverlässige, optimierte Fertigung

Folglich werden je nach Bauteilbeanspruchung die Möglichkeiten der Kunststoffverarbeitung voll ausgeschöpft. Zu den Stellschrauben zählen Werkstoffkombinationen, ergänzende Materialien, wie Farbstoffe, Additive, Füllstoffe etc., und eben die gezielte Auslegung der Herstellungsprozesse:

• Fasern nehmen vorrangig die später auf das Bauteil wirkenden Zugkräfte auf
• Die Matrix ist für Formgebung, Zusammenhalt und somit für Druck- oder Schubkräfte ausschlaggebend
• Funktionsverbessernde Additive und ausgewählte Nanopartikel steuern die Eigenschaften, die die Produkte aufweisen werden

Im Hinblick auf die Zugabe von Additiven schätzen viele Anwenderfirmen die deutliche Reduzierung ihrer Produktions- und Materialkosten. Bereits geringe Mengen eines nanoskaligen Additivs können für eine Steigerung der Festigkeit und Beständigkeit des Verbundwerkstoffs sorgen, die im zweistelligen Prozentbereich liegt. Erfahrungen zeigen, dass die Nanoadditive zudem problemlos in bestehende Prozesse einzubringen sind. Die Enderzeugnisse weisen in der Regel nach kurzer Erprobung und Einführung deutlich verbesserte Eigenschaften auf, u. a.:

• Festigkeit
• Elastizität
• mechanische Belastbarkeit
• Korrosionsschutz
• Langlebigkeit

Ohne Kompromisse: Ihr Harzsystem durch Additive optimiert

Stellen Sie sich ein Hersteller von GFK-Rohren oder -Tanks vor, der das Harzsystem, das bereits seit Jahren erfolgreich eingesetzt wird, mithilfe von funktionalen Additiven optimieren könnte. Ob Polyester-, Polyurethan-, Acryl- oder Epoxidharz, genau auf die firmeneigenen Bedürfnisse zugeschnittene Nanocomposites ließen sich in Anwendung bringen. Es bestünde kein Risiko, und dennoch käme es mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit zu signifikanten Verbesserungen in der Fertigung, zum Beispiel beim Filament Winding:

• positiver Einfluss auf Verarbeitungs- und Aushärtezeiten
• Erhalt einer ausreichenden Viskosität
• verminderter Material- und Energieeinsatz
• Steigerung der Glastemperatur der Erzeugnisse

Eine individuelle Rezeptur mit Additiven dieser Güte, z. B. aus per Bioleaching hergestelltem Wolfram, kann den GFK-Verarbeitern die Einsparung von bis zu 30% des Materialeinsatzes bescheren. Darüber hinaus bietet diese Herangehensweise die Chance, daran mitzuwirken, die so essenziell wichtigen Klimaziele zu verfolgen. Zunehmend setzen die Marktakteure auf diese Strategie, indem sie Sekundärrohstoffe in der industriellen Serienfertigung etablieren.

Produkte mit Zukunftspotenzial, dank Nanocomposites im Filament Winding

Sie haben viel in Ihren Maschinenpark und die Filament-Winding-Anlage investiert, alle Komponenten so gut wie möglich auf die Anforderungen Ihrer Klientel ausgerichtet. Wohlmöglich fragen Sie sich: Was geht noch – in Zeiten, in denen die Energie- und Materialpreise durch die Decke gehen, ein hoher Grad an Produktivität und gleichzeitig die Ausschöpfung aller Einsparpotenziale erwartet werden? Außerdem ist die CO2-Reduzierung durch den Einsatz von neuen Materialien und Konstruktionen zu stemmen, um die zentralen Ziele nicht zu verfehlen. Die Anstrengungen, Leichtbaulösungen in allen nur denkbaren Bereichen anzusiedeln, dürfen nicht nachlassen, sondern müssen vielmehr intensiviert werden.

Beeinflusst von diesen Umständen ist eines sicher: Die Nachfrage nach technischen Faserverbundelementen wird weiter zunehmen. Ein noch größeres Marktvolumen steht bevor. Da die Material- und Energiekosten steigen werden, ist das Hauptaugenmerk bei der Optimierung der Herstellungsprozesse zu sehen. Es geht um nicht weniger als die maximal präzisierte Auslegung der Fertigungsparameter, um perfekte Faser-Matrix-Verbindungen zu schaffen. Alle Branchen, von Energie, Automotive, über Systemanbieter oder Transport und Luftfahrt, müssen auf innovative leichtere Bauteile setzen können. Parallel ist die Einsparung unersetzbarer Ressourcen mit diesen Bestrebungen zu vereinbaren. Nanomaterialen helfen Ihnen dabei, diese Herausforderung gut zu bewältigen.

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