Befestigungselemente höchster spezifischer Festigkeit gefertigt durch Composite Flow Moulding mit VICTREX^® PEEK™

Das Composite Flow Moulding (CFM) ist ein innovatives Verfahren zur Herstellung endlosfaserverstärkter Bauteile aller höchster Festigkeit. Diese vollständig automatisierte Technologie wurde von der icotec ag (innovative composite technology) mit Sitz in Altstätten/Schweiz entwickelt und ermöglicht z.B. die Fertigung von Befestigungselementen net-shape in großen Stückzahlen in einem einzigen Arbeitsschritt ohne Nachbearbeitung bei gleichbleibend hoher Qualität. Mit PEEK™ Polymer als thermoplastische Matrix und unter Verwendung von endlosen Kohlefasern wird eine spezifische Festigkeit von bis zu 600 MPa / g/cm3 erreicht, die höher als die von Aluminium (≈ 50 MPa / g/cm3) oder von Titan (≈ 300MPa / g/cm3) ist.

In konventionellen thermoplastischen Verarbeitungsverfahren können ausgesprochen hohe Fasergehalte nicht verarbeitet werden, und schon gar nicht, ohne die Fasern dabei zu schädigen. Hochbeanspruchte Befestigungselemente müssen daher aus Rohlingen spanend hergestellt werden, wobei allerdings keine optimale Faserorientierung im Bereich der Gewinde erreicht werden kann. Gänzlich anders bei dem von icotec entwickelten CFM-Verfahren: Ausgangspunkt zur Herstellung von Befestigungselementen sind in diesem Fall mit bis zu 62% endlosfaserverstärkte, pultrudierte Stäbe aus PEEK™ Polymer. Diese werden axial einer beheizten, geschlossenen Kavität zugeführt, in der sie unter Druck und Temperatur umgeformt werden. Bei Schrauben werden die Gewinde dabei helixartig verstärkt, was zur Folge hat, daß diese beim späteren Eindrehen gut gegen Abrieb geschützt sind. Zudem werden in die Gewinde eingeleitete Kräfte durch eine Übergangszone der Faserorientierung in den Kern weitergeleitet. Hierdurch können hohe Lasten übertragen werden, ohne die Gewinde abzuscheren. Glasfaserverstärkte Bauteile können sogar Gewinde-formend in Aluminium- oder Magnesiumblech eingesetzt werden.

Als Matrix wird das teilkristalline VICTREX® PEEK™ mit einem Schmelzpunkt von 340°C, einer Glasübergangs- und Dauergebrauchstemperatur von 143°C bzw. 260°C verwendet. PEEK™ Polymer besticht durch niedrige Entflammbarkeit und Entzündlichkeit bei äußerst niedriger Rauchemission und geringster Toxizität der entstehenden Gase, sowie hervorragender Chemikalienbeständigkeit und guten elektrischen Eigenschaften. Je nach Anwendungszweck kommen Kohlenstoff-, Glas-, Keramik- oder gar Metall-Fasern in Frage. So weist z.B. ein Kohlefaser / PEEK™ Befestigungselement mit einer Dichte von 1.6g/cm3 eine Biegefestigkeit von 800MPa bis 1000MPa und eine Zugfestigkeit bis zu 450MPa auf. Abhängig von der Faserorientierung ist der Quotient der dynamischen zur statischen Belastbarkeit nach 2 Millionen Lastzyklen ơdyn ơסstat noch immer zwischen 60% und 90%. Über Art und Volumenanteil der verwendeten Faser können die Eigenschaften der Bauteile beeinflußt werden, während über die Wahl der Prozeßparameter Bereiche selektiv verstärkt werden können.

Die von icotec nach dem CFM-Verfahren gefertigten Befestigungselemente aus VICTREX® PEEK™ kommen in den verschiedensten technischen Anwendungen zum Einsatz: Im Motorsportberich werden CFM-Schrauben wegen ihrer höchsten Festigkeit und Zuverlässigkeit bereits in der Formel 1 zur Befestigung von Chassis-Bauteilen und aerodynamisch wichtigen Komponenten verwendet, wo sie zudem mit herkömmlichen Werkzeugen montiert werden können. In der Luftfahrt wurden CFM-Befestigungselemente intensiven Testprogrammen unterzogen, wo sie für zahlreiche Befestigungs- sowie als Wärmeisolierungselemente vorgesehen sind. Ferner wurden bereits CFM-Muttern in der Marinetechnik erfolgreich eingesetzt, wo sie neben der eigentlichen Funktion zur Befestigung auch noch über eine spezielle Losdrehsicherung verfügen. Derzeit werden CFM-Befestigungselemente für innovative Anwendungen in der Raumfahrt entwickelt, wobei das Hauptaugenmerk auf Gewicht, thermischer Ausdehnung sowie Steifigkeitsanpassung an die übrigen Compositwerkstoffe gelegt wird. Generell verfolgt icotec das Ziel, mit ihren CFM-Bauteilen auf Basis von PEEK™ Polymer nicht nur sekundäre

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Helen Swarbrick
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