Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Am Fraunhofer-Zentrum HTL werden Herstell- und Prüfverfahren für faserverstärkte Bauteile entwickelt und eingesetzt. Schwerpunkt hierbei ist die Entwicklung von Ceramic Matrix Composites (CMC). Es werden sowohl Faserrovings als auch textile Faserhalbzeuge als 2-2.5D-Preforms oder Prepregs verarbeitet. Mit den Fertigungseinrichtungen können Werkstoffmuster und Prototypen hergestellt werden.
Da CMC bisher sehr teuer sind und nur in Spezialanwendungen eingesetzt werden können, werden am Fraunhofer-Zentrum HTL auch neuartige kostengünstige Low-Cost CMC entwickelt.
Keramikfaser- und Matrixentwicklung
Die wichtigsten Eigenschaften von CMC-Werkstoffen sind ihre hohe Bruchzähigkeit und Schadenstoleranz unter thermischer und mechanischer Belastung im Vergleich zu monolithischen Keramiken. Die CMC-Materialgruppe umfasst nicht-oxidische Keramiken (NO-CMC) wie carbonfaserverstärktes SiC (C/SiC) und siliziumcarbidfaserverstärktes SiC (SiC/SiC) sowie oxidfaserverstärkte Oxidkeramik (O-CMC). Für das Materialdesign wählt das HTL geeignete Ausgangsmaterialien, Fasern sowie Matrices aus, um die passenden Werkstoffeigenschaften erzielen zu können. Typische Fasern, die hierbei verarbeitet werden, sind Carbon-, Aluminiumoxid- und Siliciumcarbidfasern. Keramikfasern werden hausintern aus polymeren Vorstufen entwickelt und bis zum Pilotmaßstab gefertigt. Die Fasern werden als Faserrovings oder als textile Faserpreformen weiterverarbeitet. Die Matrices umfassen für NO-CMC bevorzugt Kohlenstoffprecursoren und Siliziumpolymere, die über Hochtemperaturprozesse zu Keramiken umgewandelt werden. Außerdem werden carbidische Matrices über den so genannten Liquid Silicon Infiltration Process, abgekürzt LSI-Prozess (Publikation: Fundamental Mechanisms With Reactive Infiltration) hergestellt, bei welchem eine flüssige Siliziumschmelze in poröse Kohlenstoffpreformen infiltriert wird. Im Bereich der O-CMC kommen vor allem Matrices basierend auf wässrigen Pulverdispersionen im Stoffsystem Al2O3-SiO2-ZrO2 zum Einsatz. Sie werden mit Al2O3-, Mullit- oder Basaltfasern verstärkt.
Um die quasiduktilen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe einzustellen, kommen unterschiedliche Werkstoffkonzepte, wie Weak Interface- oder Weak Matrix-Composites, zur Anwendung. Zur Herstellung von Mustern für neuartige Faserverbundwerkstoffe, zumeist als kleinformatige Platten oder Rohre, steht eine geschlossene Prozesskette im Labormaßstab zur Verfügung. Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt reproduzierbare Herstellmethoden und sichert die gemessenen Werkstoffkennwerte statistisch ab.
Herstellung von CMC-Bauteilen
Faserverbundbauteile werden als Prototypen oder als Kleinserie in geschlossenen Prozessketten hergestellt. Basis hierfür ist eine erfolgreiche Materialentwicklung mit ausgewählten Matrices und textilen Faserpreforms, bei welcher die Werkstoffeigenschaften eingestellt werden. Die Entwicklungsleistung umfasst die fasergerechte Bauteilkonstruktion sowie die Fertigung. Für die Wärme- und Hochtemperaturbehandlung der faserverstärkten Verbundkörper stehen zahlreiche Wärmebehandlungseinrichtungen sowie spezielle Hochtemperatur-Ofenanlagen bis 2400 °C zur Verfügung. Bauteile aus faserverstärkten Keramiken werden auf Basis von Finite-Elemente-Analysen am Computer ausgelegt.
Technikumsausstattung und Prozesstechnik
Für die Herstellung von Faserverbundbauteilen stehen Technikumsanlagen zur Verfügung, die ein Hochskalieren von Labormustern auf große Bauteilabmessungen bis ca. 1000 mm erlauben. Für das Up-scaling von neu entwickelten Keramikfasern steht eine Faserpilotanlage bereit, die eine Fertigung im Tonnenmaßstab erlaubt. Für die Grünfertigung sind Warmpressen, eine CNC-gesteuerte Wickelanlage, sowie eine kontinuierlich arbeitende Prepreg-Anlage zur Beschichtung von Faserpreformen einsatzbereit. Weitere Anlagen zur textilen Faserverarbeitung befinden sich am Zentrum für textile Faserkeramiken TFK am Standort Münchberg.
Durch Wärmebehandlung bis ca. 200 °C werden die Verbundwerkstoffe konsolidiert und durch Hochtemperaturbehandlung bis 2400 °C in CMC transformiert. Mittels mechanischer Bearbeitung von Einzelkomponenten und HT-Fügetechniken können am HTL auch komplexe Bauteilgeometrien herstellt werden. Durch keramische Oberflächenbeschichtungen werden der Einsatz unter korrosiven Umweltbedingungen und damit die Erhöhung der Lebensdauer ermöglicht. Für die Zwischen- und Endbearbeitung steht ein hochmodernes 5-Achsen-Bearbeitungszentrum zur Verfügung. Bei Bedarf bietet das HTL ein Konzept zur Kleinserienfertigung von Bauteilen nach erfolgreicher Prototypenfertigung an. Die Herstellung kann um kundenspezifische qualitätssichernde Maßnahmen ergänzt werden. Somit ist ein Transfer der Ergebnisse und der Technologie in den Produktionsmaßstab möglich.
Charakterisierung von CMC
Am HTL steht eine ganze Reihe an zerstörungsfreien, mechanischen sowie thermophysikalischen Prüfverfahren zur Verfügung. Mit zerstörungsfreien Prüfungen kann die Struktur und Homogenität der CMC-Werkstoffe analysiert werden. Es können zudem Werkstofffehler detektiert werden, welche während der Herstellung oder im Einsatz auftreten. Mechanische Prüfungen sind bei Raumtemperatur und bei Temperaturen bis ca. 1500 °C möglich. Es kann auf eine große Anzahl an genormten Verfahren (DIN, EN, ISO, ASTM) zurückgegriffen werden. Hierbei können sowohl quasistatische als auch dynamisch-zyklierte Beanspruchungsprofile, sog. Ermüdungsversuche, an CMC realisiert werden. Faserpreformen, Proben und Bauteile können vor und nach der Verarbeitung oder Prüfung mit dem Computertomografen und weiteren Analyseverfahren untersucht werden, um auftretende Schädigungen oder Materialveränderungen zu erfassen.