Umweltfreundliche Metallisierung von CFK

Für einige Anwendungen im Bereich Luft- und Raumfahrt müssen CFK-Bauteile beschichtet werden, um beispielsweise eine ausreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit zu erhalten. Das Fraunhofer IST arbeitet an einem umweltfreundlichen Verfahren zur Vorbehandlung solcher CFK-Bauteile.

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Optische Spiegel für Weltraumanwendungen müssen wegen der ständig wechselnden thermischen Belastungen im Weltraum eine außerordentliche Stabiltität aufweisen. Am Fraunhofer IST wird daher an einer deutlich leichteren Alternative gearbeitet.

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Funktionsschichten für Wettersatelliten

Präzise und zuverlässige Wettervorhersagen können Leben retten und dabei helfen, die weltweiten Auswirkungen von Wetterkatastrophen zu mildern. Schichten des Fraunhofer IST sollen dabei helfen.

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Gasfluss-gesputterte Wärmedämmschichten

Für einen effizienteren Betrieb von Gasturbinen bei höchsten Temperaturen müssen die eingesetzten metallischen Werkstoffe vor Heißgas-Korrosion und vor Überhitzung geschützt werden. Mit dem am Fraunhofer IST entwickelten Gasfluss-Sputterverfahren (GFS) können neuartige und vielversprechende keramische Wärmedämmschichten für hochbelastete Bauteile hergestellt werden.

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Umweltfreundliche Metallisierung von CFK

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einer Polymermatrix, häufig Epoxidharz. Dieser Hochleistungswerkstoff wird überwiegend in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Neben einem geringen spezifischen Gewicht besitzt CFK herausragende mechanische Eigenschaften wie z. B. eine hohe mechanische Steifigkeit, sodass dieses Material häufig als Substitution für schwerere metallische Werkstoffe benutzt wird. Für einige Anwendungen müssen CFK-Bauteile allerdings beschichtet werden. So wurden für die Sentinel 1-Mission der European Space Agency ESA Hohlleiterantennen aus CFK am Fraunhofer IST galvanisch metallisiert, um eine ausreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit zu erhalten.

Metallisierung von CFK

Das Metallisierungsverfahren für die Sentinel-Mission wurde in Zusammenarbeit mit Airbus Defence and Space vom Fraunhofer IST entwickelt und durchgeführt. Darüber hinaus wurden die CFK-Antennen für die Mascot-Mission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Fraunhofer IST metallisiert.

Obwohl dieses Verfahren bis zur Serienreife entwickelt wurde und aktuell auch wieder eingesetzt wird, weist es einen gravierenden Nachteil auf: Die Vorbehandlung des CFK-Materials wird unter anderem mit Chromschwefelsäure durchgeführt, die akut toxisches und krebserregendes Cr(VI) enthält. Gemäß der REACH-Verordnung der EU (REACH: Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) wird die Verwendung von Cr(VI)-haltigen Stoffen in der Zukunft jedoch stark limitiert, eventuell sogar eingeschränkt.

Die herkömmliche Vorbehandlung

Der Einsatz von Chromschwefelsäure ist bei der galvanischen Metallisierung vieler Kunststoffe bis heute alternativlos. Mit Hilfe des Ätzmittels wird die Kunststoffoberfläche künstlich aufgeraut und es werden Löcher und Kavernen geschaffen. Diese Löcher werden dann ebenfalls metallisiert. Die mechanische Verklammerung zwischen dem Kunststoff und der Metallschicht bewirkt eine gute Haftfestigkeit (Druckknopfeffekt).

Laser machen kleine Löcher

Das Fraunhofer IST hat in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen ein neuartiges, umweltfreundliches Verfahren zur Vorbehandlung von CFK entwickelt, das ohne Cr(VI)-Verbindungen auskommt. Bei diesem Verfahren wird mittels eines Laserstrahls eine Vielzahl kleiner Löcher in die Oberfläche gebrannt. Abstand und Dimension der Löcher ähneln den Vertiefungen, wie sie beim chemischen Ätzen erzeugt werden. Die nachfolgenden Arbeitsschritte sind analog der herkömmlichen Kunststoffmetallisierung: Palladium-Aktivierung, außenstromlose Metallisierung sowie die galvanische Verstärkung. Auch eine Direktmetallisierung ist möglich. Neben herkömmlichen Flachproben wurden auch komplexe dreidimensionale Bauteile haftfest metallisiert.

Anwendungspotenzial

Neben der Laservorbehandlung und Metallisierung von CFK-Bauteilen ist auch die Beschichtung von anderen Kunststoffen mit diesem Verfahren gelungen. Aufgrund des hohen Preises und der Komplexität des Verfahrens wird sich diese Methode aber vorerst auf kostenintensive Werkstücke beschränken.

 

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