Leichtbau ist bei modernen Maschinen eine Schlüsseltechnologie und Maschinenkomponenten aus CFK erhöhen die Präzision und Lebensdauer der Systeme. Laut der Studie Leichtbau im Maschinen-, Anlagen- und Gerätebau [1] ist im Maschinenbau die Steigerung der Produktionseffizienz und Bearbeitungsqualität von hoher Bedeutung, wohingegen für die Automotivebranche die Senkung des Energieverbrauchs durch leichtere Fahrzeuge im Vordergrund steht.
Moderne komplexe Bauteilstrukturen können durch klassische metallische Werkstoffe nicht mehr realisiert werden, da sie die Anforderungen, die durch den stetig wachsenden Leichtbau-Trend aufkommen, nicht erfüllen. Der Einsatz von Hochleistungskunststoffen kann hier Abhilfe schaffen. So werden faserverstärkte Materialien als Konstruktionswerkstoffe eingesetzt, wobei der Fokus auf kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK = carbonfaserverstärkter Kunststoff) liegt.
CFK-Materialien verknüpfen eine geringe Masse mit einer hohen Festigkeit und Steifigkeit und stellen für viele Applikationen einen idealen Werkstoff dar. Die Oberflächeneigenschaften genügen für viele Anwendungen allerdings nicht, da Aspekte wie Reinigbarkeit, Medienbeständigkeit und tribologische Eigenschaften nicht ausreichend erfüllt werden. Zudem verursacht freiliegendes Carbon bei einer Verbundbauweise Kontaktkorrosion gegenüber vielen Metallen. Hier können Beschichtungen eine Lösung bieten. Eine galvanische Beschichtung von CFK ist aktuell am Markt nicht ohne Einschränkungen möglich, speziell für den Einsatz mit tribologischen Anforderungen und im Bereich des Korrosionsschutzes. Die galvanisch abgeschiedenen Schichtsysteme weisen Qualitätsprobleme bezogen auf Haftung und Porosität auf. Lösungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen sind zwar vorhanden, doch diese Spezialanwendungen werden mit einer deutlich anderen Kostenstruktur umgesetzt. Schließlich besteht die Möglichkeit der Beschichtung von Kohlenstofffasern beispielsweise mit Kupfer, Zinn und Zink.
Ein großes Potential haben CFK-Bauteile, die mit einer funktionalen Chromschicht versehen sind.
Das vom BMWi geförderte Verbundvorhaben CarboChrom hat sich das Ziel gesetzt, eine industriell reproduzierbar einsetzbare Prozesskette zur funktionalen galvanischen Beschichtung von CFK zu entwickeln. Der Werkstoff CFK wird dabei nicht als Black Box betrachtet, sondern aus Sicht der Harze und Fasern erfolgt eine mechanistisch fundierte Abstimmung von CFK und nasschemischer Prozesskette, da nur so die industrielle Einsatzfähigkeit erlangt werden kann. Dies bedeutet, dass die verwendeten Harze beispielsweise durch Zugabe von Opferpartikeln funktionalisiert werden, um so einen selektiven Angriff der Bauteiloberfläche zu ermöglichen. Die dadurch entstehende Beizstruktur soll eine haftfeste Metallisierung auf Basis der klassischen Kunststoffmetallisierung ermöglichen. Eine weitere Lösungsroute ist die direkte Verchromung der Carbonfasern.
Durch die Zusammenarbeit mit einem führenden Unternehmen für Spezialchemie können die Projektpartner ihre Kompetenzen zielgerichtet in das Projekt einbringen.
Literatur
[1] Anna Hansmersmann, Christoph Birenbaum, Jochen Burkhardt, Marco Schneider, Michael Stroka: Leichtbau im Maschinen-, Anlagen und Gerätebau; Stuttgart (2016)
Text zum Titelbild: REM-Aufnahme der Beizstruktur einer CFK-Oberfläche – Harz mit eingebauten Polymerpartikeln(Quelle: Fraunhofer IPA)
