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Prozesstechnik und Qualitätssicherung

C/C-SiC Radbremsscheibe mit einem Durchmesser von 720 mm für Hochgeschwindigkeitszüge mit gefügten Krafteinleitungselementen

Die Herstellung von C/C-SiC Faserkeramiken erfolgt nach dem vom DLR entwickelten LSI-Prozess (Liquid Silicon Infiltration) in drei wesentlichen Fertigungsschritten:

1. CFK-Vorkörperherstellung
   Fertigung eines endkonturnahen CFK-Vorkörpers auf der Basis von Hochtemperaturharzen (z.B. Phenolharze) und 2D-Fasergeweben oder Schnittfasern mittels Autoklav-, Harzinjektions- (RTM) oder Pressverfahren.
2. Pyrolyse
   Thermische Behandlung des CFK-Vorkörpers (T max. > 900 °C, Schutzgas) und Bildung eines C/C-Vorkörpers mit translaminarem Mikrorisssystem.
3. Silicierung
   Infiltration des porösen C/C-Vorkörpers mit geschmolzenem Silicium und Bildung der SiC-Matrix (T > 1420 °C, Vakuum)

Gegenüber anderen CMC Herstellverfahren, wie CVI und LPI / PIP bietet das LSI-Verfahren deutliche, wirtschaftliche und technische Vorteile:

• Kurze Prozesszeiten.
• Keine Nachverdichtungszyklen erforderlich.
• Kostengünstige Ausgangsmaterialien.
• Keine Faserbeschichtung erforderlich.
• Drucklose Hochtemperaturprozesse für die Keramisierung.
• Hohe Gestaltungsfreiheit (Wandstärke, Bauteilgröße und –geometrien).
• Endkonturnahe Bauteilherstellung durch geringe, reproduzierbare Schrumpfraten und In situ Fügetechnik.
• Einstellbare Werkstoffeigenschaften.

Durch eine gezielte Anpassung der einzelnen Prozessschritte konnte das LSI-Verfahren auf die Herstellung von neuartigen SiSiC-Werkstoffen und Strukturbauteilen übertragen werden. Als Ausgangsmaterialien werden entweder kommerziell verfügbare, technische Hölzer, wie z.B. mitteldichte Faserplatten (MDF), oder selbst entwickelte Holzwerkstoffe eingesetzt, die auf der Basis von Phenolharzen und Holzpulvern sowie einfachen Warmpressverfahren hergestellt werden. Nach der Pyrolyse des Holzvorkörpers liegt ein hochporöser C-Vorkörper vor, der im letzten Prozessschritt mit geschmolzenen Si infiltriert wird. Dabei wird der Kohlenstoff nahezu vollständig zu SiC umgesetzt und die verbleibende Porosität mit Si gefüllt. Da der Schrumpf ausschließlich während der Pyrolyse statt findet und sich die Geometrie während der Silicierung nicht mehr ändert, lassen sich sehr filigrane, komplex geformte und selbst großflächige Strukturen endkonturnah herstellen. Dabei können sowohl endkonturnah gepresste Holzwerkstoffe als auch maschinell bearbeitete C-Vorkörper  eingesetzt werden. Mit einer speziellen in situ Fügetechnik lassen sich sehr komplexe Strukturen aufbauen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden, wie z.B. Heißpressen, entweder  gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand hergestellt werden können.

Basis für die zuverlässige und reproduzierbare Herstellung von CMC-Werkstoffen und Bauteilen im DLR ist ein bewährtes Qualitätssicherungssystem. Dieses umfasst eine detaillierte Prozessbeschreibung für jedes einzelne Bauteil, die Wareneingangskontrolle aller Ausgangsmaterialien, die Werkstoff- und Bauteilprüfung sowie die Dokumentation aller wesentlichen Werkstoff- und Prozessparameter nach jedem Fertigungsschritt.  Für die Bauteilprüfung und Qualifizierung stehen geeignete, zerstörungsfreie Prüfmethoden (luft- und wassergekoppeltes Ultraschall, Computertomographie, Lock-in Thermographie, Photogrammetrie) und definierte Testprocedere zur Verfügung.

Entwicklungsschwerpunkte sind:

• Integration neuartiger Preformtechnologien für die endkonturnahe und reproduzierbare Fertigung dünnwandiger, hoch belasteter Strukturbauteile.
• Weiterentwicklung des LSI-Prozesses für die endkonturnahe Herstellung von Strukturbauteilen aus biomorphen SiSiC-Werkstoffen.
• Integration der Computertomographie in die prozessbegleitende Qualitätssicherung und Bauteilqualifikation.