Student verbindet Hightech-Kunststoffe

Lucian Zweifel hat eine Methode entwickelt, wie Faserverstärkte-Kunststoffe schnell und stabil verschweisst werden können. Für seine Entwicklung wurde der junge Maschinenbauer mit einem internationalen Preis ausgezeichnet.

Die Entwicklung von Faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ist eine Erfolgsgeschichte: Von Beinprothesen über Autos, Windenergieanlagen, Flugzeugen bis zur Trägerrakete – sie alle nutzen den leichten aber stabilen Werkstoff. FVKs bestehen aus einer Kunststoffmatrix in die ein Geflecht von Kunststofffasern einbettet sind. In Kombination wird das Material höchst stabil, bleibt aber trotzdem leicht.

Damit man zwei Teile aus FVK verbinden kann, gibt es zwei gängige Methoden: Im Bereich Luft- und Raumfahrt steht Sicherheit über allem, deshalb sind traditionelle Verbindungsmethoden wie Nieten im Gebrauch. Diese sind sehr zuverlässig, erzeugen jedoch zusätzliches Gewicht und Kosten. Mittlerweile ist das Kleben von FVK-Bauteilen zum Beispiel in der Automobilbranche weit verbreitet. Für eine gute Klebverbindung braucht es eine gute Vorbehandlung der Oberfläche, was zu langen Prozesszeiten führt.

Schweissen mit thermoplastischer Folie

Beide Methoden – vernieten und kleben – haben Nachteile, überlegte sich der Maschinenbau-Student Lucian Zweifel. Also muss ein neues Fügekonzept her! Der Jungingenieur wollte FVK-Teile zusammenschweissen. Etwas, das eigentlich gar nicht geht, da FVK aus sogenannten Duromeren bestehen – Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformen, und damit auch nicht mehr verschweisst werden können. Der Student integriert deshalb eine dünne thermoplastische Folie als Randschicht auf die FVK-Bauteile. Thermoplaste sind Kunststoffe, wie sie beispielsweise bei LEGO-Bausteinen oder bei Joghurtbecher benutzt werden. Sie lassen sich im Gegensatz zu Duromeren gut schmelzen. Lucian Zweifel kann so zwei beschichtete Bauteile mittels Widerstandsschweissen gut verbinden.

Stabiler als beim Kleben

Beim Widerstandschweissen werden die zwei Oberflächen mit einem Heizelement erhitzt und zusammengedrückt. Lucian Zweifel variierte mit Druck, Leistung und Zeit. Anschliessend unterzog er die zusammengeschweissten Bauteile einem mechanischen Festigkeitstest. Das Ergebnis war erstaunlich: «Mit bestimmten Kombinationen hielten die Bauteile einer Spannung von durchschnittlich 36 Megapascal stand», hält Lucian Zweifel fest. Das ist eine Verbesserung gegenüber geklebten Verbindungen, die bereits bei ungefähr 30 Megapascal versagen.

Damit die Methode marktreif wird, muss der Master-Student noch weitere Tests durchführen: «Thermoplaste ‘kriechen’, das heisst, sie verformen sich je nach Temperatur und Spannung», erklärt Lucian Zweifel, «entsprechend ändert sich auch ihre Bruchfestigkeit». Langfristige Versuche sollen über die wechselnden Eigenschaften Auskunft geben. Drei Jahre hat der Master-Student dafür Zeit.

CCeV-Studiendenpreis

Für seine Bachelorarbeit zur Verschweissung von faserverstärkten Kunststoffen wurde Lucian Zweifel mit den CCeV-Studienpreis ausgezeichnet. Carbon Composites e.V. (CCeV) ist ein Verbund von Unternehmen und Forschungseinrichtungen, der die gesamte Wertschöpfungskette der Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe in Deutschland, Österreich und der Schweiz abdeckt. Mit der Vergabe der „CCeV-Studienpreise“ werden innovative Studienabschlussarbeiten (Bachelor, Master/Diplom) im Composites-Bereich gewürdigt. Die Arbeiten werden von einer Jury, bestehend aus Fachexperten der CFK-Branche, bewertet. Die CCeV-Studienpreise sind mit jeweils 1000 € dotiert.