V-I.10 Neue Herstellungsverfahren-Carbon-CiiP (Concrete-Infusion-Injection-Prepreg)

Foto: SKZ-KFE gGmbH - Adaptionsmöglichkeit Prepreg

Die erfolgreiche Etablierung geschlossener halbautomatisierter Verfahren in der Faserverbundkunststoffverarbeitung beruht auf den erzielbaren Bauteileigenschaften sowie den schnelleren, jedoch einfacheren und vor allem reproduzierbaren Prozessen. Dieser Vorsatz ist auch im Bauwesen elementar und wird in diesem Vorhaben durch die Übertragung von Kenntnissen der Kunststofftechnik auf das Gebiet der C³-Verarbeitung zur Entwicklung nachhaltiger Herstelltechnologien für ebene und dreidimensionale C³-Bauteile angestrebt.

Das Herstellverfahren von Carbonbetonbauteilen mit dem geringsten technischen Aufwand ist momentan das lagenweise Laminieren von Hand. Die textilen Bewehrungen werden abwechselnd schichtweise in die pastöse bis fließfähige Betonmatrix eingebettet. Die Einarbeitung der Bewehrung sowie der Betonauftrag erfolgen manuell mit einer Glättkelle. Beim alternativen Sprüh- bzw. Spritzverfahren erfolgt der Aufbau der Textilbetonschichten analog. Die durch Pumpentechnik förderbare Betonmatrix wird jedoch in Anlehnung an die Herstellung von Spritzbeton maschinell auf die Beton- oder Schalungsoberfläche aufgesprüht. Der Feinbeton wird in Schichten von 1 bis 5 mm aufgebracht. Hinsichtlich Spritz- und Aufprallenergie sind durch die filigranen Fasern Grenzen gesetzt. Einerseits besteht die Gefahr der Schädigung der querdruckempfindlichen Fasern, andererseits wird beim Laminieren die Lage des Textils durch die Steifigkeit des frischen Betons und die auf ihn wirkenden Kräfte bestimmt. Um die erfolgreiche Etablierung der neuen C³-Bauweise voranzutreiben, aber auch in Folge der stetigen Forderung nach größeren, komplexeren und vor allem leistungsfähigeren Bauteilstrukturen bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung und kostenoptimierten Verarbeitungsprozessen bedarf es demnach neuer Möglichkeiten der Herstellung. Diese sollen der Produktion mittels Laminieren in puncto Aufwand, Qualität und Wirtschaftlichkeit in nichts nachstehen.

Foto: SKZ-KFE gGmbH – Versuch Drucktopfinjektion

Ziel ist daher die branchenübergreifende Adaption von Kenntnissen zu ausgereiften, halbautomatisierten, geschlossenen Verarbeitungsverfahren aus dem Bereich der Faserverbundkunststoffe auf das Gebiet der Carbonbetonverarbeitung. In Hinblick auf den jetzigen Stand der Herstellung von Carbonbetonbauteilen lässt sich erkennen, dass ähnliche Verfahren (Gießen, Handlaminieren) auch in der Kunststofftechnik eingesetzt werden. Durch die werkstoffliche Ähnlichkeit (formgebende Matrix mit Faserverstärkung) bietet sich eine Übertragung der Erfahrungen aus dem Bereich der Verarbeitungsprozesse der Faserverbundkunststoffe auf Carbonbeton an.

Foto: SKZ-KFE gGmbH – Lagenaufbau Vakuuminfusion

Dadurch lassen sich evtl. optimierte Eigenschaftsausnutzungen der einzelnen Verbundkomponenten zur finalen Steigerung der Bauteileigenschaften durch exaktere richtungs- und lagegesicherte Faserpositionierung erzielen. Weiterhin werden höhere Faservolumengehalte durch engmaschigere Gelege und kompaktere Lagenabstände erwartet.

Um die Ziele erfolgreich zu absolvieren, wird zunächst durch labortechnische Versuche der Machbarkeitsnachweis bzgl. der Überführung geschlossener halbautomatisierter Prozesse der Faserverbundkunststoffverarbeitung (Infusion, Injektion und Prepreg-Verarbeitung) erfolgen. Die Erkenntnisse aus Vorversuchen werden aufgegriffen und durch geeignete, in der Kunststofftechnologie eingesetzte Hilfsmittel erweitert. Darauf aufbauend werden komplexe Strukturbauteile hinsichtlich Geometrie und Größe variiert, um eventuelle Grenzen aufzuzeigen. Durch eine mechanische Grundcharakterisierung werden Vergleichsmessungen durchgeführt und somit qualitative Aussagen zu den herkömmlichen und den neuen Verarbeitungstechnologien getroffen. Anschließend wird eine Optimierung der fasergerechten Verarbeitung durchgeführt, um dadurch standardisierte und durch Teilautomatisierung begründete, reproduzierbare Verbundparameter zu ermitteln. Schließlich werden vorgefertigte Halbfertigteile hergestellt, die durch eine Vor-Ort-Aktivierung ortsunabhängig den Verfestigungsprozess ermöglichen sollen.

Das Vorhaben ist in vier Arbeitspakete (AP) gegliedert:

  • AP 1 Verfahrensentwicklung (Verfahrensüberführung, Anwendungsgrenzen)
  • AP 2 Optimierung Verbundeigenschaften (Reproduzierbarkeit, Steigerung Fasergehalt, querschnittsabhängige Variationen)
  • AP 3 Entwicklung Halbfertigteile (Vor-Ort-Aktivierung, Definition Einfluss- und Umgebungsparameter)
  • AP 4 Technologietransfer (Darlegung Potenzial Marktstärkung)

Umfangreichere Informationen zu den aktuellen Entwicklungen – die nicht der Geheimhaltung unterliegen – erhalten Sie von Steffen Jäger.

Verbundkoordinator
SKZ-KFE gGmbH

Vorhabenleiterin
Dr.-Ing. Jana Fiedler

Ansprechpartnerin

Dr.-Ing. Jana Fiedler
+49 345 53045 184
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Beteiligte C³-Partner

  1. Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig, Institut für Betonbau
  2. SKZ-KFE gGmbH

Laufzeit: 01.11.2016 – 31.10.2017