Industrialisierung von thermoplastischem Epoxid: Innovationen und Anwendungen

Cecence (Salisbury, UK) wurde 2014 von drei Gründern mit jahrzehntelanger Verbundwerkstofferfahrung gegründet. Direktor Mike Orange blickt auf eine lange Geschichte in CFRP-Rigging und Masten für Yachten zurück. Innovationsleiter Humphrey Bunyan war zuvor Innovationsleiter bei Future Fibres (Valencia, Spanien). „Sie [Future Fibres] stellten Vollverbund-Rigging für den America's Cup und andere Rennboote sowie CFRP-Radsicherungen für Formel-1-Fahrzeuge her“, sagt Orange (siehe „Yachtbuilding composites: Rigged for success“). „Wir verstanden die Vorteile von Leichtbau, arbeiteten aber mit anderen Sektoren zusammen, die unsere Erfahrung nicht hatten und mit Kosten, Skalierung der Fertigung und der Einhaltung von Brandschutzvorschriften zu kämpfen hatten.“

Fokus auf Brandschutz, industrielle Fertigung und Nachhaltigkeit

Daher wurde Cecence (ausgesprochen „see-sense“, wie common sense mit Carbonfaser-Verbundwerkstoffen) gegründet, um sich auf Brandbeständigkeit, industrialisierte Fertigung und Nachhaltigkeit zu konzentrieren. Dies führte zu Entwicklungen wie einer pressgeformten Carbonfaser/Bioharz-Verbund-Rückenlehne für Passagierflugzeuge, die nur 7,5 Kilogramm wog, die Sitzdicke auf unter 20 Millimeter reduzierte und den Platz und Komfort für Passagiere erhöhte, während alle Brand-, Rauch- und Toxizitätsanforderungen (FST) erfüllt wurden.

„In einem früheren Projekt hatte Cecence ein Heißpressverfahren entwickelt, das die Zykluszeit für eine Economy-Class-Rückenlehne mit Snap-Cure-Phenolharzen, die mit dem britischen Prepreg-Hersteller FTI (Somerset) entwickelt wurden, von 2,5 Stunden auf 7 Minuten verkürzte“, sagt Orange. Für die oben beschriebene neueste Rückenlehne, die mit Design Q (Redditch, UK) entwickelt wurde, erweiterte Cecence sein FST-Portfolio durch den Einsatz eines Polyfurfurylalkohol-(PFA)-Harzes, das von SHD Composites (Sleaford, UK) entwickelt wurde. PFA ist ein biobasiertes Duroplast, das sich wie ein Phenolharz verhält und hervorragende Oberflächenverarbeitung und Nachhaltigkeit bietet (siehe „Withstanding fire without the weight“). „Wir haben mit SHD Composites zusammengearbeitet und ihre Chemie für eine schnellere Aushärtung vorangetrieben“, sagt Orange. „Das ist unser Ansatz: Materialien, Prozesse und Designs weiterzuentwickeln, damit Verbundprodukte kommerziell tragfähig und nachhaltig im großen Maßstab gefertigt werden können.“

Thermoverformbares Epoxidharz

Herstellungsgeschwindigkeit und Nachhaltigkeit waren Schlüsselfaktoren, als Cecence vor einigen Jahren auf ein thermoplastisches Epoxidharzsystem stieß. „Dieser Thermoplast mit Epoxidkomponenten an den Enden seiner Polymerketten wurde von einem Textilhersteller verwendet, der sein Potenzial in Verbundwerkstoffen nicht erkannte“, erklärt Orange.

„Wir erkannten sofort die Vorteile eines niedrigviskosen Thermoplasten, der Fasern hervorragend imprägnieren kann und gleichzeitig ein thermoverformbares Epoxid ermöglicht“, sagt Humphrey Bunyan. Cecence entwickelte ein Prepreg basierend auf dieser thermoplastischen Epoxid-Technologie und dann eine Produktfamilie unter der Marke K_Series: aufwickelbarer K_Rod, 0,25 bis 1,98 Millimeter dickes Semi-Preg K_Plate und K_Chip-Formmasse (Abb. 1). „Wir konnten Bauteile in unter drei Minuten pressen“, sagt Orange, „und haben eine FR-Variante demonstriert, die die FST-Anforderungen für Flugzeuginnenräume erfüllt.“ Cecence nutzte das Material auch für ein Verbund-Oberleitungs-System (COHLE) für elektrische Bahnstrecken, das die Anzahl der Stützpylonen halbiert und die Gesamtinstallations- und Betriebskosten um 100.000 £ (124.200 $) pro Kilometer senkt.

Technische Vorteile des thermoverformbaren Epoxids

„Bei typischen Thermoplasten haben Sie ein hochviskoses Matrixpolymer, das schwer in die Fasern zu pressen ist“, erklärt Bunyan. „Daher ist es schwierig, eine gute Imprägnierung der Rovings oder Gewebe zu erreichen. Das K_Series thermoverformbare Epoxid hat jedoch eine sehr niedrige Viskosität – 80 Centipoise bei 100 °C. Dies ermöglicht uns das Prepregen von Glas-, Carbon- und Naturfaserverstärkungen mit exzellenter Harz-Faser-Verteilung und typischerweise 60 % Faseranteil nach Gewicht. Wir können auch Fasern mit Epoxid-Beschichtung verwenden, die normalerweise nicht mit Thermoplasten kompatibel sind.“ Und dennoch ist dieses System ein echter Thermoplast, der das Umformen fertiger Bauteile bei 180–200 °C ohne chemische Reaktion oder Exothermie ermöglicht.

„Wie Epoxid haftet es gut an der Faser, sodass keine Faser-Matrix-Trennung auftritt, selbst wenn Sie beim Pressen höhere Drücke verwenden“, bemerkt Orange. Dies bezieht sich auf ein Problem, das er bei kurzfaserverstärkten Polyamid-(PA)- und Polypropylen-Compounds beobachtet hat. „Wir arbeiteten mit einer Schicht PA, die durch Heißpressen auf ein Gewebe aufgeschmolzen wurde, um eine flache Platte herzustellen. Die Matrix haftete nicht an den Fasern, sondern umgab sie nur. Beim Pressen in ein Bauteil kam es zu Faserauszug.“

K_Plate, das bei 150–220 °C verarbeitet wird, bietet eine Einsatztemperatur von 100 °C für kurze Expositionen und Dauereinsatz bei 90 °C. Gehackte UD-Rovings K_Chip-Compounds werden bei 240 °C gepresst. „Die T_g [Glasübergangstemperatur] und der Beginn der Wärmeverformung für K_Series sind niedriger als bei typischen Epoxiden, aber dies macht auch das Umformen und Recycling möglich“, sagt Orange. K_Series-Prozesse sind auch schnell. „Cecence arbeitete mit RocTool [Le Bourget du Lac, Frankreich] auf der JEC 2016 zusammen, um das schnellste formbare Thermoplast zu demonstrieren, das sie je gesehen hatten“, sagt er und verweist auf eine Zykluszeit von 2 Minuten 40 Sekunden für eine Autohaube. „Die Verweilzeit betrug nur 25 Sekunden vor dem Abkühlen, bei 8–9 bar Druck über der Vakuummembran. Sie waren auch mit der Oberflächenqualität sowohl matter als auch glänzender Oberflächen zufrieden [siehe Titelfoto] und merkten an, dass unser Material das beste Finish aller getesteten lieferte.“

Außerdem erleichtern die Epoxidkomponenten in den K_Series-Produkten das Lackieren und Kleben von Verbundbauteilen, ohne die speziellen Primer und Vorbehandlungen, die bei herkömmlichen Thermoplasten erforderlich sind. „Man kann sie sekundär mit Standardklebstoffen verbinden“, fügt Bunyan hinzu. „Man erhält auch gute Schereigenschaften zwischen den Lagen, und insgesamt ergeben sich zähe, energieabsorbierende Strukturen, dank des Thermoplasten.“

CFRP-Oberleitung für kostengünstigere Elektrifizierung von Bahnstrecken

Die duale Natur dieses thermoplastischen Epoxids zeigt sich in einem Oberleitungssystem (OHLE), das von Cecence mit einer CFRP-Oberleitung aus K_Rod entwickelt wurde. Die Oberleitung und der stromführende Fahrdraht sind die zwei Hauptdrähte in der Oberleitung einer elektrischen Bahn (Abb. 2). Der Strom wird über einen Stromabnehmer, der sich vom Dach der Lok zum Fahrdraht erstreckt, auf den Zug übertragen. „Die Oberleitung wirkt wie eine Hängebrücke zwischen den Pylonen (Masten, Pfeiler), die alle 25 Meter entlang der Gleise stehen“, erklärt Orange. Der Kupferfahrdraht wird durch vertikale Hängerseile von der Oberleitung abgehängt, ähnlich wie die Fahrbahn an den Seilen einer Hängebrücke.

„Durch den Einsatz eines K_Rod-Zugseils als Oberleitung kann es nur 70 Millimeter über dem Kupferfahrdraht hängen“, weist Orange hin (Abb. 3). „Das gesamte System ist kompakter und hat eine viel geringere visuelle Umweltbelastung.“ Aktuelle OHLE-Systeme verwenden Stahl-Oberleitungen, die sich bei Temperaturänderungen ausdehnen. „Im Sommer dehnen sie sich um bis zu 400 Millimeter pro Kilometer aus“, merkt er an. Um dieses Durchhängen auszugleichen, werden Beton-Gegengewichte an Umlenkrollen als automatische Spannvorrichtung installiert, was die Gesamtkosten erhöht.

„Das Gewicht der Stahlleitung und ihr Durchhangprofil sind auch der Grund, warum so viele Masten benötigt werden“, stellt Orange fest. „Unser CFRP-Kabel ändert seine Länge im Sommer nur um 7 Millimeter pro Kilometer, da die vernachlässigbare thermische Ausdehnung der Carbonfaser einen thermisch stabilen Verbundwerkstoff schafft. Es ist auch 80 Prozent leichter als Stahlseil, hängt nicht durch und ermöglicht einen Pylonenabstand von 50 Metern, was die Anzahl der benötigten Pylonen halbiert.“ Dies ermöglicht weitere Kosteneinsparungen, da für jeden Pylon ein auskragender Querarm mit Abspannseil erforderlich ist.

Darüber hinaus verwenden herkömmliche OHLE-Systeme ausschließlich Metallkomponenten, was Isolatoren erfordert, um unerwünschte Stromleitung zu verhindern. „Das Cecence COHLE benötigt nicht all diese Isolatoren, da es nichtleitende Glasfaser-(GF)-Verbundpylonen und -Querarme mit nichtleitenden Verbund-Abspannseilen verwendet“, erklärt Orange. „Wir verwenden auch Zwischenhänger aus 3D-gedruckter Polymilchsäure (PLA). Im Gegensatz zu einem Metallsystem müssen die Pylonen nicht regelmäßig gestrichen werden, und die korrosionsbeständigen Verbundwerkstoffe erfordern weniger Wartung.“

„Das thermoplastische Epoxid spielt eine Schlüsselrolle in der CFRP-Oberleitung“, fährt er fort. „Cecence verwendet es sowohl im Carbonfaser-K_Rod-Kern als auch in der überflochtenen GF-Verbundmantelung. Das Ergebnis ist ein leichtes, hochfestes, isoliertes Kabel, das aufwickelbar ist und gut in eine Muffe eingeklebt werden kann, was das normalerweise knifflige Endverbindungsproblem bei Carbonfaser-Verbundkabeln löst. Dank der erstaunlichen Lastübertragung vom Kern in die Muffe durch die Überflechtung benötigen wir keine große Muffenlänge, und dieses System ist einfach zu installieren, sodass es praktisch von Bahntechnikern vor Ort montiert werden kann.“

Obwohl das CFRP-Kabel dreimal so viel kostet wie eine Stahloberleitung, sinken die Gesamtsystemkosten von 512.000 £ auf 413.000 £ pro Kilometer, sagt Orange. Diese Kosten, berechnet mit dem multinationalen Ingenieur- und Infrastrukturunternehmen Atkins (London, UK), beinhalten Betriebs-/Wartungseinsparungen von 400.000 £ bis 3,4 Millionen £ pro Kilometer über die Systemlebensdauer.

„Cecence lieferte die Prototypkomponenten im Mai 2019“, sagt Orange, „und unsere Entwicklungspartner hatten geplant, die Oberleitungen bis Februar 2020 zu installieren, aber das wurde durch COVID-19 verzögert. Das gesamte System wurde auf der Advanced Engineering Show 2019 ausgestellt und gewann den Composites UK Innovation Award.“

Weitere K_Series-Anwendungen und Entwicklung

Über die OHLE-Anwendung hinaus verfolgt Cecence weitere Möglichkeiten für den Einsatz seiner K_Series-Produkte. „Cecence hat auch an Projekten gearbeitet, bei denen K_Rod-Kabel als Anker für eine Steinwand in einem Bauprojekt in der Schweiz eingesetzt wurden“, sagt Orange. „Unsere Projektpartner sollten 80 Meter tiefe Bohrungen in den Fels machen, die CFRP-Kabel einbringen und dann mit Beton verfüllen. Es gab erstaunliche Testergebnisse, aber der akademische Partner schaffte nie den Anschluss an die Industrie, um das Projekt über den Laborstatus hinaus zu entwickeln. Wir verfolgen jedoch andere Demonstrationen; dieses System ist korrosionsfrei und bietet gute Lastübertragung. Es könnte auch als Erdanker für verschiedene Bausysteme eingesetzt werden, beispielsweise für hurrikansichere Gebäude.“

Videos auf YouTube und der Cecence-Website demonstrieren die Thermoformbarkeit der K_Plate-Produkte. „Es gab auch Gespräche über Anwendungen für variable Geometrie/morphende Tragflächen mit einem britischen Luftfahrtunternehmen“, sagt Orange. Cecence demonstrierte ein kosteneffizientes Automobilmaterial mit K_Chip aus gehackten Verbundrovings als Hybrid-CF/GF/thermoplastisches Epoxid-Material, das ein 2:1-Verhältnis von Carbon zu Glas beibehält, bestätigt durch Tests.

Das Unternehmen hat auch ein hochtemperaturbeständiges K_Series mit einer T_g von 250–300 °C entwickelt, das bei 360–400 °C verarbeitet wird. „Dies wurde für einen Automobilhersteller eingesetzt, der wollte, dass die CFRP-Teile ihren 180 °C E-Coat-Lackierprozess überstehen“, sagt Orange. „Wir haben auch das K-FR-Material, das die vertikale Brennprüfung, Wärmefreisetzung und Rauchtoxizität für Flugzeug-FST-Anforderungen besteht, und wir untersuchen, wie wir bei der Vibrationsdämpfung zur Reduzierung von Kabinengeräuschen in Flugzeugen helfen können. Wir können den Thermoplast abstimmen und elastomere Materialslagen hinzufügen, um signifikante Geräuschreduzierung zu erreichen.“

Samantha Bunyan, die dritte Cecence-Gründerin und Leiterin Industrie-Engagement, weist darauf hin, dass Recyclingfähigkeit auch ein Schlüsselentwicklungsbereich ist. Cecence ist Teil des ReDisCoveR Composites-Konsortiums, das vom National Composites Centre (Bristol, UK) betrieben wird. Es wurde im April 2019 gegründet und verfolgt 24 Projekte entlang vierer Stränge: Recycling, Demontage, zirkuläre Materialien und Wiederverwendung. „Innerhalb dieser Projekte untersuchen wir die Demontage von Komponenten und demonstrieren die tatsächliche Recyclingfähigkeit thermoplastischer Verbundwerkstoffe“, sagt Bunyan. „Die Industrie wird endlich gezwungen, die Recyclingfähigkeit zu beweisen, die sie seit Jahren behauptet. Cecence sieht die Vorteile der Recyclingfähigkeit von K_Series thermoplastischen Epoxidprodukten, muss aber auch die Prozesse und die wirtschaftliche Tragfähigkeit demonstrieren.“

„Wir glauben, dass es noch viel mehr Raum für nachhaltige Verbundwerkstoffe im Massenverkehr gibt, einschließlich Flugzeuginnenräumen, Sitzen und Schienenanwendungen“, sagt Orange und fügt hinzu, dass Cecence nicht nur Entwicklungspartner, sondern auch Fertigungspartner ist. „Wir haben bisher 2.500 Verbundsitzrücken für A320-Typ-Flugzeuge hergestellt und waren auf dem besten Weg, die leichtesten und dünnsten Sitzrücken der Branche zu produzieren, bevor COVID-19 ausbrach. Ausschuss von Verbundsitzen kann in Fußstützen und Armlehnen wiederverwendet werden. Rezyklat kann auch in anderen Hilfsteilen eingesetzt werden, die derzeit Neukunststoffe verwenden. All dies kann helfen, den Fossilbrennstoffverbrauch und Emissionen zu senken sowie die Elektrifizierung zu fördern und die Nachhaltigkeit zu erhöhen.“

In Verbundwerkstoffen, so Samantha Bunyan, „ist Nachhaltigkeit dreifach: Materialien, Verarbeitung (schnell und energiearm) und Lieferkette. Wir stören all diese Bereiche und arbeiten mit Innovatoren aus aller Welt zusammen, die nicht gesehen werden, weil die meisten nur auf die großen Unternehmen schauen. Die Welt braucht neue Lösungen, die für die Industrie funktionieren. Das ist es, was Cecence tut.“