Prepreg-Trommel
von Dieter Siebenmann-Peter.
Im Flugzeugbau werden oft Prepregs (vorimprägnierte Fasern) verwendet. Es scheint daher naheliegend, diese Technologie auch im Flugmodellbau anzuwenden. Daher haben Großhändler auch schon Prepregs in ihr Sortiment aufgenommen. Eine Auflistung der Vor- und Nachteile zeigt aber, dass zumindest vorimprägnierte Gewebe und Gelege, im Gegensatz zu UD-Schichten, nur bedingt für den Flugmodellbau geeignet sind.von Dieter Siebenmann-Peter.
Der Imprägniervorgang wird vorweggenommen und maschinell durchgeführt. Dazu sind spezielle Harzsysteme erforderlich, die schwach vernetzt, tiefgekühlt gelagert werden und bei Raumtemperatur mehrere Tage überstehen, ohne dass die chemische Reaktion zu weit voranschreitet. Die Aushärtung erfolgt erst bei höheren Temperaturen in einem Ofen oder bei gesteigerten Ansprüchen in einem Autoklav. Dies bedingt, dass die Formen aus Invarstahl gefertigt werden, um Probleme auf Grund thermischer Ausdehnungen zu minimieren. Formen aus Aluminium sind ungeeignet. Auch Versuche, Formen aus CfK mit hochtemperaturbeständigen Harzen herzustellen, haben sich nicht bewährt (Ref.1). Bewusst wird bei den Harzsystemen eine gewisse Klebrigkeit (tack) eingestellt, damit die Schichten sowohl gut an der Form als auch aufeinander haften. Bei akzentuierten sphärischen Übergängen stößt man wegen der bereits vorhandenen leichten Vernetzung bald an Grenzen und muss die Prepreglagen entsprechend klein dimensionieren.
Vor- und Nachteile der Prepregs
Vorteile:
- Langes Verarbeitungsfenster,
- hohe Qualität,
- günstige Arbeitshygiene,
- Tack und
- gut ausgerichtete Fasern.
Nachteile:
- Aufwändige Infrastruktur (Tiefkühltruhe, Ofen, Autoklav),
- Formenbau anspruchsvoll,
- sphärische Übergänge limitiert und
- teuer.
Durch die leichte Vernetzung haben die UD-Schichten eine gewisse Flächenstabilität. Sie lassen sich zwischen den Abdeckschutzfolien für den Konus trapezförmig zuschneiden und dank der Klebrigkeit (tack) nach Abzug einer Folie um die Form herum legen. Bei der günstiger Geometrie und der geringst möglichen Aushärtetemperatur konnte ein Stahlkonus verwendet werden, ohne dass sich die unterschiedlichen Ausdehnungen negativ bemerkbar machten. Die Radialsteifigkeit und der Torsionswiderstand wurden durch eine Umfangswicklung innen und eine Kreuzwicklung außen realisiert. Auf diese Weise entstanden einige Konen, die sich im Flugbetrieb gut bewährten.
Vereinfachte Methode
Die Abhängigkeit von einer aufwändigen Infrastruktur sowie Limitationen bei der Beschaffung der verfügbaren Halbzeuge ließen mich das Verfahren überdenken und nach Vereinfachungen suchen, wobei die für den Modellflug relevanten Vorteile bestehen bleiben und die Nachteile vermieden werden. Wichtig ist der Zusammenhalt der aus Rovings komponierten UD-Schicht und der Tack. Diese Eigenschaften ergeben sich auch bei einem Standardsystem, wenn der richtige Zeitpunkt getroffen wird, bei dem die Vernetzung soweit fortgeschritten ist, dass der Zusammenhalt und der Tack einerseits gewährleistet sind und anderseits die Verarbeitung noch möglich ist. Versuchsanstalten für Fasertechnologien stellen UD-Samples für Tests durch Rovings her, die um eine Trommel gewickelt werden. Dies schien mir der geeignete Ansatz. Damit lassen sich beliebige Flächengewichte für alle verfügbaren Fasern realisieren. Die Aushärtung erfolgt dann auf herkömmliche Weise.
Prepregtrommel beim Aufwickeln des Rovings
Prepreg-Trommel
Die Bilder sind weitgehend selbsterklärend. Es genügt daher, einige Bemerkungen zu machen.
Trommel
Die Trommel kann entweder aus Holz mit einer Glasbeschichtung oder aus einem Blech (Stahl 0,3 mm - 0,4 mm, Alu 0,5 mm - 0,6 mm, an den Enden abgebogen) mit Seitenwänden aus Pappelsperrholz gebaut werden.
Fadenführung
Übersetzung
Der Abstand zwischen den aufgewickelten Rovings und somit das Flächengewicht ergibt sich aus der Übersetzung und der Steigung der Gewindespindel (z. B. M8 oder M10). Billige Kunststoffzahnräder (z. B. Modul 1) sind im Handel erhältlich. Das große Rad (z. B. Zähnezahl 100) dient nur als Zwischenrad.
Rovingführung
Auf einer Kunststoffmutter, die mit einer Achse (Ø 8 mm - 10 mm) gegen Verdrehen abgestützt wird, befindet sich die Rovingführung. Im Gegensatz zu einem Fadenauge ergibt ein System aus vier Stiften, die jeweils paarweise angeordnet werden, eine präzisere Führung. Zudem muss dabei der Roving nicht eingefädelt werden.
Rovingspulenhalterung
Blockierung
Eine Blockierung, bestehend aus einer M10-Schraube mit einem Gummipuffer am Ende, erleichtert die Handhabung.
Blockierung der Trommel
Rovingspulenlagerung
Zur Not genügt eine Stange, auf der die Rovingspule drehbar gelagert wird. Besser sind zwei konische Scheiben mit Kugellagern auf einer Achse.
Herstellung des UD-Prepregs
Ein Streifen doppelseitiges Klebeband wird parallel zur Achse der Trommel aufgeklebt. Unter mäßigem Zug wird ein entsprechend zugeschnittenes Wachspapier auf der Trommel platziert. Entsprechend der gewünschten Breite wird die Fadenführung auf die Startposition gebracht. Ein vorgängig applizierter Harzauftrag beim Wachspapier erleichtert eine gute Durchtränkung. Nun zieht man den Roving unter der Trommel durch, klebt das Ende auf dem doppelseitigen Tape fest und legt den Roving in die Führung. Die Fadenspannung lässt sich am besten kontrollieren, indem man den Roving zwischen Daumen und Zeigefinger beim Aufwickeln des Rovings durchziehen lässt. Ist die vorgesehene Bandbreite erreicht, wird das Ende des Rovings festgeklebt und die Wicklung satt eingeharzt.
Nach einer Weile kann das überflüssige Harz abgesaugt werden. Dies geschieht zuerst mit Haushaltpapier bis das Gröbste entfernt ist. Dann wird Peelply aufgelegt und mit einem Gummiroller (in Papeterien erhältlich) das Ganze gründlich ausgewalzt, wobei sich allfällige Gaps schließen und die Rovings so verformt werden, dass sie gut aneinander anliegen. Gleichzeitig wird solange Harz entfernt bis sich ein optimaler Faservolumenanteil um 60 % einstellt, der qualitativ mit industriell gefertigten Prepregs mithalten kann. Nach drei bis vier Stunden ist, je nach Raumtemperatur und Harzsystem, das Verarbeitungsfenster mit der leichten Vernetzung erreicht. Das Prepreg kann nun von der Trommel abgenommen, und oben mit einer weiteren Trennfolie zum Zuschnitt bedeckt werden. Damit ist das hausgemachte Prepreg bereit zur zügigen Verarbeitung.
Anwendungen
Neben flächigen Verstärkungen sind diese Prepregs besonders zum Bau von Leitwerksträgern geeignet, weil sich das bei der Auslegung als ideal erachtete Flächengewicht der UD-Schicht exakt einstellen lässt.
Baut man einen konischen Leitwerksträger, ist es vorteilhaft, die UD-Schicht in zwei Halbschalen zu realisieren, die sich oben und unten über einen Winkelbereich von circa 60° überlappen. Damit wird eine günstige Biegesteifigkeit um die Querachse erreicht, die besonders bei LDA-Modellen wichtig ist. Biegt man beispielsweise einen PVC-Schlauch, so ovalisiert sich der Querschnitt zusehends bis er kollabiert und die Seitenwände aneinander aufliegen. Das Gleiche geschieht bei einem Leitwerksträger, wenn die Radialsteifigkeit nicht ausreichend ist. Längsorientierte Fasern sind dazu schlecht geeignet, es braucht zusätzliche Maßnahmen außen und innen der Röhre, um eine ausreichende Formstabilität zu erreichen. Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Konus eine gewisse Torsionssteifigkeit hat. Die Fluglasten sind gering, aber es hilft gegen unerwünschte Verdrehungen unter Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüssen. Ein leichtes Glasgewebe (0°/90°, 25 g/m² - 50 g/m²) auf der Innenseite und ein ± 45° orientiertes, leichtes Kohlegelege außen, stellt den günstigsten Kompromiss der verschiedenen Anforderungen dar.
UD = unidirektional
In Bezug auf Faserverbundkunststoff-Laminate bezeichnet der Begriff die gegebene Faserrichtung des Prepregs, also sind hier die Fasern nur in eine Richtung orientiert. Der Hauptbegriff für Prepreg-Material, bei dem die Fasern generell nur in 0°-Richtung verlaufen (Kettfaden), lautet Tape bzw. auch unidirektionales Prepreg.
Peel Ply (Abreißgewebe)
Dies dient zur Aufrauung von GFK-Bauteilen. Nach dem Aushärten der Bauteile kann es von Hand entfernt werden. Es entsteht eine raue, saubere Oberfläche für die anschließende Verklebung. Peel Ply ist in unterschiedlichen Flächengewichten und Ausführungen erhältlich.
Bei seinem Vorgehen verwendet Dieter Siebenmann „Pleelplys“ um das Walzen mit dem Gummiroller und die Kontrolle des Harzgehalts zu erleichtern.
Invarstahl
Invar ist eine Eisen-Nickel-Legierung mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es besteht aus 64 % Eisen und 36 % Nickel. „Invar“ wird auch als Oberbegriff für eine Gruppe von Legierungen und Verbindungen verwendet, welche die bemerkenswerte Eigenschaft besitzen, in bestimmten Temperaturbereichen anormal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben. Der Name resultiert also aus der Invarianz des Volumens bei Temperaturänderungen.
Zur Verfügung gestellt von/aus THERMIKSENSE 1/2022
Referenzen
Ref.1: Schürmann, Helmut (2005): Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Springer-Verlag Berlin
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