Innovativer Beschichtungsaufbau auf CFK-Verbundwerkstoffen

Carbonfaser-Verbundwerkstoffe (CFK) sind die Werkstoffe der Wahl für Leichtbau und E-Mobilität, da sie eine hohe mechanische Festigkeit unter signifikanter Gewichtsreduktion (52% gegenüber Stahl) aufweisen. Diese Eigenschaften begünstigen den notwendigen Entwicklungssprung zum umweltfreundlichen und energiesparenden Automobil. Um die CFK-Bauteile zu schützen und ein automobil-gerechtes Erscheinungsbild zu erzielen, müssen sie beschichtet werden. Hierbei stellt sich das Problem, dass im Herstellungsprozess verwendete Trennmittel auf der CFK-Oberfläche verbleiben und eine gute Haftung des Primers auf den Bauteilen verhindern. Daher ist eine Vorbehandlung des CFK vor der Beschichtung unumgänglich. In der derzeitigen Praxis der Serienfertigung von Automobilen gibt es dafür bisher kein zuverlässig funktionierendes Konzept.

CFK-Oberfläche durch Plasma-Vorbehandlung optimiert

Ausgehend von dieser Situation wurde am Fraunhofer IPA eine materialgerechte Vorbehandlungsmethode und Modellbeschichtung entwickelt, die auf die Serienfertigung übertragen werden kann. Aufgrund des Herstellungsprozesses haben CFK-Bauteile eine sehr niedrige Oberflächen-energie (OFE) mit hohem dispersen Anteil und werden von den modernen Wasserbasislacken nur schlecht benetzt. Derzeit in der Praxis übliche Vorbehandlungsmethoden wie mechanisches Schleifen, der Einsatz von Scheuermitteln und das Aufquellen mit Hilfe von Lösemittel (Isopropanol) führen meist zu undefinierten nicht reproduzierbaren Oberflächen. Als Alternative zu diesen Verfahren wurde daher die Vorbehandlung mit Sauerstoff-Plasma als neue Methode untersucht. Wie oberflächenenergetische Untersuchungen zeigten, führt die Plasmabehandlung, im Gegensatz zu den üblichen Verfahren, zu einer Erhöhung der OFE mit einem hohen polaren Anteil, der für die Benetzung mit wasserbasiertem Primer besonders wichtig ist. Bereits bei einer Verweildauer von 5 min im Sauerstoff-Plasma wird eine hohe OFE von ca. 70 mN/m mit hohem polaren Anteil erreicht. Da plasmaaktivierte Oberflächen einer schnellen Alterung unterliegen, sollten die CFK-Bauteile allerdings unmittelbar nach der Aktivierung beschichtet werden. Dies könnte durch eine Inline-Aktivierung realisiert werden. Durch Plasmavorbehandlung lässt sich somit kurzzeitig eine definierte Oberfläche erzeugen, die für die prozesssichere Serienfertigung sehr wichtig ist.

Die Grafik veranschaulicht den innovativen Lackaufbau auf Carbonfaser-­Verbundwerkstoffen (CFK).

Mit umweltfreundlichem Lacksystem beschichtet

Als Modell-Lacksystem wurde ein umweltfreundliches 3-Schicht-System bestehend aus Hydroprimer, Hydrobasislack und 2K-Klarlack gewählt. Da der Primer entscheidend für die Haftung des Systems auf dem CFK-Bauteil ist, wurde die Benetzung durch den Primer sowohl bei nicht vorbehandelten als auch bei behandelten Bauteilen untersucht. Durch eine 5-minütige Plasmabehandlung konnte die beste Benetzung, auch im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, erzielt werden. Die bessere Benetzung und damit eine bessere Wechselwirkung des Primers mit der CFK-Oberfläche und damit die Verbesserung der Haftung ist signifikant und kann durch rasterelektronische Mikroskop (REM) – Aufnahmen nachgewiesen werden. Bei der Aufnahme einer plasmavorbehandelten Probe ist eine nahezu defektfreie Grenzfläche zwischen Bauteil und Primer festzustellen. Die Prüfung der Haftfestigkeit des Modell-Lacksystems auf den plasmabehandelten CFK-Bauteilen ergab ein sehr gutes Ergebnis.

Einfache praktische ­Realisierung

Die Plasmavorbehandlung lässt sich problemlos inline in den Serien-Beschichtungsprozess von CFK-Teilen integrieren. Bei der Umsetzung des neuen Beschichtungskonzeptes ist jedoch auch die Temperatur- und Formbeständigkeit der eingesetzten CFK-Bauteile zu berücksichtigen. Daher ist zusätzlich die Härtetemperatur der applizierten modernen ressourcenschonenden Lacke des Beschichtungssystems ein wichtiges Maß für deren Eignung.

WARUM DAS WICHTIG WIRD

Carbonfaser-Verbundwerkstoffe (CFK) sind für Leichtbau und E-Mobilität die Werkstoffe der Wahl, die zukünftig verstärkt zum Einsatz kommen, da sie eine hohe mechanische Festigkeit unter signifikanter Gewichtsreduktion (52% gegenüber Stahl) aufweisen. Diese Eigenschaften begünstigen den notwendigen Entwicklungssprung zum umweltfreundlichen und energiesparenden Automobil. Die Untersuchungen am Fraunhofer IPA zeigen, dass mit geeigneten Vorbehandlungsmethoden die Oberfläche von CFK-Bauteilen gezielt beeinflusst werden kann. Hierbei ist es besonders wichtig, einen definierten und reproduzierbaren Zustand der Oberfläche sicherzustellen. Dies gelingt besonders effektiv durch die vorgestellte Plasmavorbehandlung. Mit dieser Methode lassen sich auch große Bauteile mit anspruchsvoller Geometrie innerhalb weniger Minuten behandeln (5 min). Die Haftung der untersuchten Beschichtungen wird durch die gute Benetzung der CFK-Bauteile mit dem Primer enorm verbessert. Die Kompatibilität zu den Fertigungsprozessen ist auch gegeben, da die Plasmaanlage lediglich als weiterer Prozessschritt inline vorgeschaltet werden kann und sich unabhängig von der Bauteilgeometrie vollautomatisch betreiben lässt.

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. + 49 711 970-3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de, Dr. Ulrich Christ, Tel. +49 711 970-3861, ulrich.christ@ipa.fraunhofer.de, Dr. Christina Bauder, Tel. +49 711 970-3869, christina.bauder@ipa.fraunhofer.de