Bauteile

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CMC-Bauteile

Am Fraunhofer-Zentrum HTL werden Herstell- und Prüfverfahren für faserverstärkte Verbundwerkstoffbauteile entwickelt und eingesetzt. Schwerpunkt hierbei ist die Entwicklung von Ceramic Matrix Composites (CMC) unter Verwendung von Carbon- bzw. von Keramikfasern aus Siliziumcarbid und Aluminiumoxid. Es werden sowohl Faserrovings als auch textile Faserhalbzeuge als 2-2.5D-Preforms oder Prepregs verarbeitet.

Die Faserverbundbauteile werden als Prototypen oder als Kleinserie in einer geschlossenen Prozesskette am HTL hergestellt. Basis hierfür ist eine erfolgreiche Materialentwicklung, bei welcher die Werkstoffeigenschaften eingestellt werden. Unsere Entwicklungsleistung umfasst die fasergerechte Bauteilkonstruktion, das Materialdesign 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 (vgl. Bauteildesign).

Die wichtigste Eigenschaft von CMC-Werkstoffen ist ihre hohe Bruchzähigkeit unter thermischer und mechanischer Belastung im Vergleich zu monolithischen Keramiken. Die CMC-Materialgruppe umfasst carbonfaserverstärktes SiC (C/SiC), siliziumcarbidfaserverstärktes SiC (SiC/SiC) und oxidfaserverstärkte Oxidkeramik (O-CMC). Wir wählen geeignete Ausgangsmaterialien, Fasern sowie Matrices aus, um die passenden Werkstoffeigenschaften erzielen zu können. Typische Fasern die hierbei verarbeitet werden sind Carbon-, Aluminiumoxid- und Siliciumcarbidfasern. Diese kommen als Faserrovings oder als textile Faserpreformen zum Einsatz. Die Matrices umfassen für nicht-oxidische CMC bevorzugt Kohlenstoffprecursoren und Siliziumpolymere, die über Hochtemperaturprozesse zu Keramiken umgewandelt werden. Außerdem werden carbidische Matrices über den sogenannten Liquid Silicon Infiltration Process, abgekürzt LSI-Prozess, hergestellt, bei welchem eine flüssige Siliziumschmelze in poröse Kohlenstoffpreformen infiltriert wird (vgl. Schmelzinfiltration). Im Bereich der O-CMC kommen vor allem Matrices basierend auf wässrigen Pulverdispersionen im Stoffsystem Al2O3-SiO2-ZrO2 zum Einsatz. Um die quasiduktilen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe einzustellen, wenden wir unterschiedliche Werkstoffkonzepte, wie Weak Interface- oder Weak Matrix-Composites an. Zur Herstellung von Mustern für neuartige Faserverbundwerkstoffe, zumeist als kleinformatige Platten oder Rohre, steht eine geschlossene Prozesskette im Labormaßstab zur Verfügung. Wir entwickeln reproduzierbare Herstellmethoden und sichern die gemessenen Werkstoffkennwerte statistisch ab.

Für die Herstellung von Faserverbundbauteilen stehen Technikumsanlagen zur Verfügung, die ein Hochskalieren auf große Bauteilabmessungen bis 1000 mm erlauben. Für die Grünfertigung stehen eine Warmpresse, eine CNC-gesteuerte Wickelanlage, sowie eine Prepreg-Anlage zur Verfügung. Weitere Anlagen zur Faserverarbeitung befinden sich am Zentrum für textile Faserkeramiken TFK am Standort Münchberg (vgl. Textiltechnik). Durch Wärmebehandlung bis ca. 200 °C werden die Verbundwerkstoffe konsolidiert. Durch Hochtemperaturbehandlung bis 2400 °C erfolgt eine Umwandlung in hochtemperaturbeständige CMC. Mittels mechanischer Bearbeitung von Einzelkomponenten und HT-Fügetechniken können wir auch sehr komplexe Bauteilgeometrien herstellen. Für die Zwischen- und Endbearbeitung steht ein hochmodernes 5-Achsen-Bearbeitungszentrum zur Verfügung. Wir bieten Ihnen bei Bedarf auch ein Konzept zur Kleinserienfertigung von Bauteilen an. Die Herstellung kann kundenspezifisch um qualitätssichernde Maßnahmen ergänzt werden. Somit ist ein Transfer der Ergebnisse und der Technologie in den Produktionsmaßstab möglich.

Mit zerstörungsfreien Prüfungen kann die Struktur und Homogenität der 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 1400 °C möglich. Hierbei können sowohl quasistatische als auch dynamisch-zyklierte Beanspruchungsprofile, sogenannte Ermüdungsversuche realisiert werden. Die Proben und Bauteile können vor und nach der Prüfung mit dem Computertomographen und anderen zerstörungsfreien Verfahren analysiert werden, um auftretende Schädigungen zu erfassen (vgl. Werkstoffprüfung).

Leistungsangebot:

  • Anwendungsspezifische Entwicklung von Faserverbundwerkstoffen und CMC
  • Keramikgerechte Bauteilgestaltung und Strukturdesign
  • Konstruktion von Fertigungshilfsmitteln für die Bauteilherstellung
  • Auswahl bzw. Entwicklung geeigneter Fasern (vgl. Keramikfasern) und Matrices
  • Einstellung, Optimierung und Messung von geforderten Materialeigenschaften
  • Entwicklung reproduzierbarer Herstellmethoden für Werkstoff-Muster im Labormaßstab
  • Charakterisierung von Werkstoff-Mustern
  • Durchführung von Machbarkeitsstudien und Entwicklungsprojekten
  • Herstellung prototypischer Bauteile
  • Entwicklung kosten- und zeitsparender Herstellverfahren
  • Aufbau komplexer Bauteile durch Fügetechniken
  • Erstellen von Konzepten für die Serienfertigung von Faserverbund-Bauteilen inklusive Kostenkalkulation
  • Kleinserienfertigung mit Handbucherstellung und Technologietransfer in die Industrie
  • Entwicklung bauteilspezifischer Prüfverfahren
  • Normgerechte Raum- und Hochtemperaturprüfungen bis 1400 °C
  • Mechanische Prüfung mit quasistatischer oder dynamischer Beanspruchung
  • Analyse des Versagens- und Bruchverhaltens
 

Hier finden Sie den Flyer

 

Prototypen und Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen

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