Ein neuer Verbundwerkstoff, der widerstandsfähiger als Feuer und leichter als Metall ist
Offene Flammen und brennende Hochenergie-Batterien zerstören herkömmliche Polymer-Verbundwerkstoffe in kurzer Zeit. Das Ingenieurwesen stand vor der Wahl zwischen schweren Titan-Verbundwerkstoffen und keramischen Verbundwerkstoffen, die zwar hitzebeständig sind, aber eine komplexere Fertigung erfordern und mit höheren Kosten einher gehen.
Verbundwerkstoffe auf den Metallbereich ausweiten
Um diesen Kompromiss zu überwinden, wirkte das EIC(öffnet in neuem Fenster) –finanzierte Projekt C-PREG 400 an der Entwicklung von FireX-Preg mit – einer Hochtemperatur-Prepreg-Plattform, die die Lücke zwischen herkömmlichen Polymer-Verbundwerkstoffen und komplexen Keramiken schließen und einen Ersatz von Metallen in anspruchsvollen Hochtemperaturanwendungen durch leichte Verbundwerkstofflösungen ermöglichen soll. „Mit FireX-Preg verfolgten wir nicht einfach nur das Ziel, einen Verbundwerkstoff zu entwickeln, der höheren Temperaturen standhält“, erklärt Giuseppe Galimberti, Projektkoordinator und Geschäftsführer bei Nano-Tech. „Wir verfolgten eine einfachere Herstellung von Hochtemperatur-Verbundwerkstoffen, ihre einfachere Integration in bestehende Werkstoffe und Anwendbarkeit auf Bauteile, bei denen Verbundwerkstoffe bislang als Metallersatz ausgeschlossen waren.“ Die FireX-Preg-Plattform steht für eine neue Generation von Hochtemperatur-Prepreg-Technologie, die auf einem hybriden Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix(öffnet in neuem Fenster) basiert und durch neue Rechte des geistigen Eigentums geschützt ist. Der Werkstoff kann mit Kohlenstoff-, Glas- oder Hybridfasern verstärkt werden und erreicht eine thermische Schwelle von DMA-Tg ≥ 400 °C. Doch sein Nutzen reicht über die bloße Hitzebeständigkeit hinaus: Es wirkt als Hitzeschild, erlischt bei Entzündung und hält der Exposition mit Düsentreibstoffen und Chemikalien stand. Da der Werkstoff im Weltraum nicht ausgast und elektromagnetische Signale ungehindert durchlässt, könnte das Material nahtlos in Satellitensysteme und Kommunikationshardware integriert werden.
Leichter zu formen, einfacher zu recyceln
Aus industrieller Sicht beseitigt FireX-Preg die Fertigungsengpässe, die neue Werkstoffe üblicherweise zum Scheitern bringen. Anstatt Fabriken an lange, kostspielige Aushärtungszyklen zu binden, lässt sich der Werkstoff unter anderem an serienmäßige Anlagen für das Autoklavieren, autoklavenfreie Verfahren (Out-of-Autoclave) und das Pressformen anpassen. Die Aushärtung dauert 90 Minuten bei 135 °C oder 60 Minuten bei 180 °C. Für die Fertigung in großen Mengen werden lediglich 15 Minuten dauernde Heißprägezyklen bei 180 °C unterstützt. Darüber hinaus verändert seine Co-Aushärtungsfähigkeit die Konstruktionsweise von Bauteilen. Der technische Aufbau einer gesamten Struktur aus Spezialwerkstoffen erübrigt sich, stattdessen kann FireX-Preg gezielt dort eingesetzt werden, wo Wärme- und Brandschutz erforderlich sind, und an anderen Stellen übliche Strukturverbundwerkstoffe verwenden, um Kosten und Gewicht zu optimieren. Die Variante Glass-FireX-Preg (mit Glasfaser verstärktes FireX-Preg) bietet einen überzeugenden Nachhaltigkeitsvorteil für Flugzeuginnenbereiche, wo Glasfaser-Verbundwerkstoffe gang und gäbe sind und strenge Anforderungen an die Feuerbeständigkeit gelten. „Ausgehärtete Teile können als Rohstoff direkt in Standardöfen für die Glasherstellung eingebracht werden, ohne dass die Matrix entfernt werden muss, so dass der Verbundwerkstoff direkt in sein ursprüngliches industrielles Ökosystem zurückkehrt und einen saubereren Entsorgungsweg als herkömmliche Phenolharze nimmt“, erklärt Galimberti.
Feuererprobt im Luftverkehr von Hubschraubern und Elektroflugzeugen
Die Leistungsfähigkeit des Werkstoffs wurde anstelle einer Laborprüfung von Proben auf der Bauteil- und Systemebene demonstriert. In einem repräsentativen Programm für eine Hubschrauber-Brandschutzwand führte der Ersatz einer 1,61 kg schweren Titanbaugruppe durch FireX-Preg zu einer Gewichtsreduzierung des Bauteils um bis zu 48 % bei gleichzeitiger Senkung der Produktionskosten um bis zu 57 %. Der Werkstoff erwies sich bei Sicherheitsprüfungen im elektrischen Luftverkehr als ebenso wirksam. Im Zuge eines Batteriemissbrauchstests im Vollmaßstab mit 216 vollständig geladenen Zellen konnte das FireX-Gehäuse das Ereignis vollständig eindämmen, so dass eine Flammenausbreitung, Erosion, strukturelle Perforationen sowie das Austreten heißer Gase verhindert wurde. Die FireX-Preg-Plattform hat dank ihrer flexiblen Verarbeitung, schnellen Aushärtungszyklen, Hybridkompatibilität und bewährten Testergebnisse erfolgreich den Sprung vom Labor in die industrielle Praxis geschafft. „Mit Blick auf die Zukunft arbeiten wir an programmspezifischen Zertifizierungen für die Luft- und Raumfahrt und wir führen die elektrische Leitfähigkeit für künftige Anwendungen zur Abschirmung elektromagnetischer Schadwirkung ein“, lautet das Fazit von Galimberti.