Entwicklung und Bewertung plasmapolymerer Trennschichten für die Entformung von CFK-Bauteilen im Flugzeugbau

Der Einsatz konventioneller Formtrennmittel zur Entformung von FVK-Bauteilen ist sehr arbeits- und kostenintensiv, da dieser neben der zyklisch wiederkehrenden manuellen Applikation die aufwändige Entfernung von Trennmittelrückständen auf den Formwerkzeugen und Bauteiloberflächen zur Folge hat. Ein vielversprechender Alternativansatz zur Erzeugung von beständigen, trennenden Oberflächeneigenschaften stellen plasmapolymere Dünnschichten dar. In der vorliegenden Arbeit konnten erfolgreich plasmapolymere Trennschichten im Niederdruck- und Atmosphärendruckplasma für die mehrfache CFK-Entformung am Beispiel der Prepreg- und RTM-Technologie realisiert und somit ein Beitrag zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit in der CFK-Produktion geleistet werden. Die Arbeit beschreibt den gesamten Entwicklungsprozess von der Schichtabscheidung und -charakterisierung, über die CFK-spezifische Erprobung bis zur Bewertung für die Serienfertigung und Wirtschaftlichkeitsabschätzung.Beginn der Arbeiten war die Feststellung industrieller Anforderungen zur Entformung von CFK-Bauteilen im Flugzeugbau sowie die Bewertung potentieller Trennsysteme und der Ableitung des Forschungsbedarfs als Basis für die experimentelle Entwicklungsarbeit. Als wesentliche Anforderungen wurden die gegensätzlichen adhäsiven Schichteigenschaften innerhalb eines Aufbaus (adhäsiv zur Formoberfläche, dehäsiv zum CFK-Bauteil) und die mechanische Beanspruchung durch Kohlenstofffasern (Schichtkohäsion) identifiziert. Darauf aufbauend wurde eine Arbeitshypothese als mögliche Problemlösung festgelegt. Hierbei handelte es sich um Schichtaufbauten, welche die genannte Eigenschaftskombination unter den Bedingungen der CFK-Entformung erfüllen sollten. Durch Charakterisierung der unter unterschiedlichen Abscheidebedingungen erzeugten Plasmapolymere konnte ein Zusammenhang zwischen den resultierenden adhäsiven und mechanischen Eigenschaften und der chemischen Struktur der Schichten hergestellt werden. Plasmapolymere Trennschichten sind nur als Ersatz konventioneller Trennmittel für die mehrfache Entformung von CFK-Bauteilen geeignet, wenn die mechanische Beanspruchung im Prozess unter der Beanspruchbarkeit des Schichtsystems liegt. Je nach CFK-Herstellungsprozess musste eine Optimierung der mechanischen Schichteigenschaften im Hinblick auf die geforderte Standzeit erfolgen. Dazu wurden analytische Modellierungen durchgeführt, um die Versagenslasten der Schichten zu bestimmen. Die daraus abgeleiteten optimalen Filmdicken und E-Moduln der Schichten wurden u.a. in experimentellen Entformungsversuchen überprüft. Dazu wurde eine geeignete Methode für die Beurteilung der Trennwirkung entwickelt, die das spröde Verhalten der Epoxide beim Entformungsvorgang berücksichtigt und zugleich die Praxisanforderungen der industriellen Fertigungsumgebung abbildet. Abhängig von den Versuchsergebnissen und aufbauend auf der Kenntnis der Struktur-Wirkungs-Beziehung wurden die Schichtaufbauten hinsichtlich der Realisierung mechanisch beständiger Schichten für die CFK-Entformung zugeschnitten. Die mehrfache Belastung an Modellplatten führte zu keiner nachweisbaren Schichtschädigung, im RTM-Prozess (bzw. Prepreg-Prozess) konnten bis zu 30 (bzw. 50) Entformungen realisiert werden.Weiterhin wurde der Einfluss auf die Weiterbearbeitungsprozesse des entformten Bauteils beurteilt, da die Transfermenge und der damit direkt verknüpfte Nachbearbeitungsaufwand der Bauteiloberfläche vor nachgeschalteten Prozessen in der Luftfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung ist. Die quantitative Einschätzung eines vermeintlichen Schichttransfers plasmapolymerer Trennschichten auf die abgeformte CFK-Bauteiloberseite ergab, dass das Absolutniveau der Kontamination unterhalb der Toleranzgrenze für die Lackierung von abgeformten CFK-Bauteilen liegt.Die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit ergab, dass die ökonomischen Auswirkungen im Fertigungsprozess durch die Verwendung von plasmapolymeren Trennschichten vielfältig sind. Die Frequenz der Formreinigung und -nachbereitung kann erheblich reduziert werden, da das Ausmaß von Formverschmutzung verringert wird. Die nach jedem Entformungszyklus wiederkehrende Trennmittelapplikation entfällt durch die dauerhafte Trennbeschichtung. Die Oberflächennachbereitung der entformten CFK-Bauteile ist deutlich reduziert, da keine übertragenen Trennmittelkontaminationen vom Bauteil entfernt werden müssen. Für den Einsatzfall der ND-Trennschichten im RTM-Prozess (bzw. AD-Trennschichten im Prepreg-Prozess) konnte eine Reduzierung der Prozesszeit gegenüber der Referenz von rund 60% (bzw. 66%) bestimmt werden.Plasmapolymere Trennschichten zeigen ein hohes Potential zum Ersatz konventioneller flüssiger Formtrennmittel für unterschiedliche CFK-Produktionsverfahren wie Prepreg oder RTM.