Starke Teile aus dem kalten Ofen

Viele Bauteile von Flugzeugen und Fahrzeugkarosserien sind längst nicht mehr aus Stahl, sondern aus modernen Verbundwerkstoffen. Sie bestehen aus Karbon- oder Glasfasergeflechten, die mit Spezialharzen zu einem extrem belastbaren Material verbunden werden, das Crashtests standhält, Schwingungen elastisch abfedert und dabei federleicht ist. Und das spart Treibstoff. Allerdings müssen solche Leichtbauteile bislang noch in riesigen Öfen, so genannten Autoklaven, unter hohen Drücken und Temperaturen hergestellt werden, was viel Energie verbraucht. Doch das könnte sich ändern: Der Mikrowellenofen HEPHAISTOS, der am Karlsruher Institut für Technologie in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern entwickelt wurde, wird Leichtbauteile für die Industrie in beliebiger Form und Größe produzieren können und benötigt dafür, wie Vergleichsmessungen der EADS zeigten, nur etwa ein Fünftel der Energie im Vergleich zur herkömmlichen Herstellung im Autoklav.

„Die Mikrowellen erhitzen eben gezielt nur diejenigen Teile, die auch warm werden sollen, nämlich die Leichtbaumaterialien und nur indirekt das Form gebende Werkzeug, nicht aber den Ofen selbst. Den kann man sogar noch anfassen, so kühl bleibt er“, erklärt der Projektleiter Dr. Lambert Feher vom Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des KIT. „Das spart 80 Prozent der Energie und verbessert darüber hinaus sogar die Materialeigenschaften.“

Kern der Technik sind Mikrowellenkomponenten, wie sie auch in Haushalten verwendet werden. Sie sitzen an den Seiten von sechseckigen zylindrischen Modulen, die knapp zwei Meter im Durchmesser messen und einen Meter lang sind. Im größten Ofen der Versuchshalle sind drei Module aneinandergereiht, so dass Bauteile von bis zu drei Metern Länge aus einem Guss gefertigt werden können. Dabei entsteht im Inneren des Ofens ein nahezu homogenes Mikrowellenfeld, das sich nach Bedarf durch Ansteuerung der einzelnen Mikrowellensender auf die Form des Bauteils hin optimieren lässt. „Die Mikrowellen übertragen ihre Energie zielgerichtet auf die Karbonfasern im Verbundmaterial und regen diese wie Antennen an. Dabei erwärmt sich ihre Oberfläche und sie verbinden sich rasch und viel besser mit der umgebenden Matrix aus Kunststoffharzen“, erklärt Feher. In einem konventionellen thermischen Ofen wird die Energie dagegen ausschließlich über Wärmeleitung übertragen, die bei Karbonfasern sehr niedrig ist. Die Leichtbauteile aus dem HEPHAISTOS-Ofen haben daher auch eine extrem gute Qualität: Härte und Scherfestigkeit sind höher, die verschiedenen Lagen sind enger miteinander verbunden und nehmen den Stoß besser auf, gleichzeitig sind sie elastischer. „Offenbar führt die Mikrowellentechnik dazu, dass die Vernetzung zwischen Fasergewebe und Harzmatrix verstärkt wird“, vermutet Feher. Was allerdings genau im Inneren des Materials geschieht, sei bislang noch nicht im Detail verstanden. „Grob gesagt stellen wir uns vor, dass die Mikrowellen die Aktivierungsenergien für bestimmte chemische Reaktionen senken und sie damit in Gang bringen.“

Während des Aushärtungsprozesses beobachten Feher und sein Team mit einer Wärmekamera, wie sich die Wärme in den meist komplex geformten Bauteilen ausbreitet.Optimal ist eine gleichmäßige Erwärmung, die sich bei der Hephaistos-Technik durch programmierte Ansteuerung der Felder erreichen lässt, ein weiterer Vorteil gegenüber konventionellen thermischen Öfen.

Eine zusätzliche Förderung durch ein BMBF-Projekt von 2006–2011 ermöglicht es dem KIT-Team, der Hephaistos-Technologie den letzten Schliff zu geben und hat vor allem ausreichend starke Partner aus der Industrie mit an Bord geholt: Dazu zählen die Luft- und Raumfahrtunternehmen EADS und GKN Aerospace, die Chemiekonzerne BASF und Hexion, der Fahrzeughersteller Porsche, sowie die Composite-Hersteller SGL Brakes und Fritzmeier Composites. Am Versuchszentrum am KIT sind weitere große Hephaistos-Öfen in Planung, die auch sehr große Bauteile für die Luftfahrt fertigen können. „Wir haben die Technologie soweit entwickelt, dass sie nun von der Industrie übernommen werden kann“, sagt Feher. Und das funktioniert auch: So hat die Firma GKN Aerospace Anfang 2010 in München bereits eine Großanlage als erster Industriekunde aufgebaut.

Doch auch in der Forschung bleibt noch viel zu tun: Nicht nur die Frage, was eigentlich genau die Mikrowellenstrahlung im Verbundmaterial bewirkt, sondern auch die Optimierung des gesamten Prozesses stehen noch auf dem Programm. So sind die Berechnungen zur Ansteuerung der Mikrowellensender noch sehr anspruchsvoll: „Unser nächstes Ziel ist, die Ansteuerung der Mikrowellenfelder noch zu verfeinern, damit wir auch sehr dicke und asymmetrische Teile gleichmäßig prozessieren können“, sagt Feher.