In den letzten Jahren sind im In- und Ausland neue Formtechnologien für kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundprodukte entstanden. Zu diesen Technologien gehören automatische Faserplatzierung, Ultraschall-Schnellkonsolidierungsformung, Laserkonsolidierungsformung, Elektronenstrahlhärtung, vakuumunterstützte Formung und 3D-Druck. Trotz der hohen Effizienz, der geringen Kosten, des geringen Energieverbrauchs und des hohen Automatisierungsgrads, die diese neuen Formtechnologien bieten, spielen traditionelle Methoden aufgrund der derzeitigen technologischen Einschränkungen bei Kohlefaseranwendungen immer noch eine bedeutende Rolle.

Thermoplastische Harze wie PEEK, PI und PPS weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit, Schadenstoleranz, Schlagfestigkeit und Bruchzähigkeit auf. Sie werden außerdem beim Erhitzen weich und schmelzen, sodass sie wiederholt verwendet werden können. In Kombination mit hochfesten Kohlenstofffasern sind diese kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in hochentwickelten zivilen Anwendungen schnell beliebt geworden. Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Formverfahren für Kohlenstofffaseranwendungen entwickelt. Saxobran Neues MaterialCo., Ltd. ist auf die Herstellung von Verbundprodukten aus Kohlefaser spezialisiert und hat die Vor- und Nachteile mehrerer weit verbreiteter und ausgereifter Formverfahren verglichen.

Autoklav-Formverfahren

Beim Autoklavformen werden im Autoklav vorgefertigte Prepregs mit hochtemperiertem Druckgas erhitzt und unter Druck gesetzt, sodass sie in Form gebracht werden. Dieses Verfahren wird häufig für das Integralformen von Verbundwerkstoffen auf Harzbasis verwendet und hat in der industriellen Produktion eine große Bedeutung. Beispielsweise werden 80 % der kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Verbundstrukturteile, die in Flugzeugrümpfen, Seitenrudern, Höhenrudern, Flügelhäuten und Heckflossen verwendet werden, im Autoklavformen hergestellt.

Während des Autoklavformungsprozesses wird das Prepreg in einem Vakuumbeutel innerhalb der Form versiegelt, wodurch ein gleichmäßiger Druck der Druckluft in alle Richtungen gewährleistet wird. Der Hochgeschwindigkeitsstrom der Druckluft im Autoklaven sorgt sowohl während der Heiz- als auch der Kühlphase für eine gleichmäßige Erwärmung. Darüber hinaus führen der stabile Druck und die stabile Temperatur im Autoklaven zu geringer Porosität und gleichmäßiger Faserverteilung in den Verbundprodukten. Somit weisen im Autoklav geformte kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Produkte eine gleichmäßige Druck-/Wärmeverteilung und stabile Qualität auf, wodurch sich diese Methode für die Herstellung großer und komplexer Strukturteile eignet. Zu den Nachteilen gehören jedoch die sperrige und komplexe Ausrüstung, der hohe Energieverbrauch, erhebliche Investitions- und Produktionskosten und eine geringe Effizienz.

Formpressverfahren

Das Formpressen umfasst verschiedene Schritte wie Materialplastifizierung, Fließen zum Füllen der Formhöhle und Aushärten des Harzes. Während das kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundformmaterial in die Formhöhle fließt, müssen sowohl das thermoplastische Harz als auch die verstärkende hochfeste Kohlefaser fließen, was im Vergleich zu anderen Verfahren zu einem höheren Formdruck führt. Dieser Prozess erfordert eine hydraulische Presse mit Druckregelung und hochfeste, hochpräzise und hochtemperaturbeständige Metallformen. Wuxi Zhishang New Material verwendet im Allgemeinen Autoklav- und Formpressverfahren zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Verbundprodukten.

Formgepresste thermoplastische, kohlenstofffaserverstärkte Produkte weisen geringe innere Spannungen, minimale Verformungen, glatte Oberflächen, hohe Maßgenauigkeit, stabile mechanische Eigenschaften, geringe Schrumpfung und gute Wiederholgenauigkeit auf. Dieses Verfahren eignet sich zum Formen großer, flacher Produkte mit hoher Produktionseffizienz und der Fähigkeit, komplexe Strukturen in einem Durchgang zu formen, was Massenproduktion, Spezialisierung und Automatisierung erleichtert. Die Komplexität und die hohen Kosten der Formenherstellung, die langen Formzyklen und die Herausforderungen bei der vollständigen Formfüllung sind jedoch erhebliche Nachteile bei Kohlenstofffaseranwendungen.

Filament-Wickelverfahren

Beim Filamentwickeln werden harzgetränkte, endlose, hochfeste Kohlenstofffasern vorgewärmt und auf einen Dorn gewickelt. Durch kontinuierliches Erhitzen und Druckanwendung wird das Prepreg zu einer einheitlichen Struktur verfestigt, sodass Schicht für Schicht das gewünschte Bauteil entsteht. Faktoren wie Heiztemperatur, Wickelmethode, Extrusionsspalt, Harztemperatur und Faserwickelspannung wirken sich direkt auf die Produktqualität aus.

Im Vergleich zum Autoklavverfahren ist das Filamentwickeln besser für die mechanisierte Produktion geeignet und ermöglicht Anpassungen der Festigkeitseigenschaften der Kohlenstofffasern durch Änderung der Wickelmuster. Da die Kohlenstofffasern beim Wickeln jedoch nicht fest an der Dornoberfläche haften, ist dieses Verfahren für die Herstellung von Teilen mit konkaven oder konvexen Oberflächen ungeeignet.

Pultrusionsverfahren

Bei der Pultrusion werden hochfeste Kohlenstofffasern in Harz imprägniert und durch eine Düse gezogen, wo sie unter Druck geformt und ausgehärtet werden, sodass durchgehende Längen von Verbundprodukten entstehen. Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Bauteilen mit durchgehendem, konstantem Querschnitt, d. h. es können nur lineare Profile und keine komplex geformten Strukturteile hergestellt werden. Darüber hinaus ist aufgrund der anisotropen Eigenschaften der Produkte ihre Querfestigkeit begrenzt, was die Anwendung bei kohlenstofffaserverstärkten Produkten einschränkt.

Für die Großserienproduktion linearer kohlenstofffaserverstärkter thermoplastischer Produkte bietet dieser Prozess einen hohen Automatisierungsgrad, geringen Energieverbrauch, einen hohen Kohlenstofffaseranteil, stabile Produktqualität und geringen Rohstoffverbrauch. Es ist eine bevorzugte Methode zur Herstellung bestimmter Produkttypen.

Aufkommende Technologien

In den letzten Jahren sind weltweit zahlreiche neue Formtechnologien für kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Verbundprodukte entstanden. Dazu gehören automatische Faserplatzierung, Ultraschall-Schnellkonsolidierung, Laserkonsolidierung, Elektronenstrahlhärtung, vakuumunterstütztes Formen und 3D-Druck. Diese neuen Technologien bieten hohe Effizienz, niedrige Kosten, geringen Energieverbrauch und einen hohen Automatisierungsgrad. Angesichts des aktuellen technologischen Niveaus in China besteht jedoch im Vergleich zu den Industrieländern noch eine erhebliche Lücke in Forschung und praktischer Anwendung. Für eine beträchtliche Zeit werden traditionelle Formmethoden weiterhin unverzichtbar für die Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Verbundstrukturteilen und anderen Produkten in Kohlenstofffaseranwendungen sein.