In den modernen Ingenieurwissenschaften besteht ein ständiger Bedarf an effizienten Hochleistungswerkstoffen, um die immer anspruchsvolleren Anwendungen zu ermöglichen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) haben sich hierbei als Schlüsseltechnologie etabliert, da sie ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie eine hohe Vielseitigkeit in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Windenergie bieten [1]. Häufig beinhalten FKV eine duroplastische Matrix, die zu einem unlöslichen, nicht schmelzbaren Polymernetzwerk aushärtet. Angetrieben durch Rezyklierbarkeit, Verarbeitungsvorteile und Leistungsfähigkeit zeigt sich am globalen Markt ein zunehmender Trend hin zu thermoplastischen FKV [2, 3]. Vitrimere stellen eine weitere Polymerklasse dar, welche die mechanische Festigkeit und thermische Stabilität von Duroplasten mit der Wiederverarbeitbarkeit von Thermoplasten kombiniert. Sie zeichnen sich durch dynamische kovalente Bindungen innerhalb des Polymernetzes aus, die sich unter bestimmten Bedingungen reversibel lösen und neu verknüpfen, was ein Aufschmelzen ermöglicht [4]. Dieses einzigartige Verhalten erlaubt es Vitrimeren, noch nach der initialen Aushärtung umgeformt zu werden, wodurch sie eine Alternative zu den etablierten Duroplasten oder Thermoplasten darstellen [5]. FKV werden üblicherweise durch die Kombination aus Temperatur, Druck und Zeit konsolidiert und geformt [6]. Durch die kovalenten Bindungen innerhalb des Vitrimer-Polymernetzes, wird der Umformprozess erschwert [4]. Zudem weisen Vitrimere in der Regel hohe Schmelzviskositäten auf, die lange Heizzyklen oder hohe Drücke erfordern, um eine ausreichende Faserimprägnierung während der Herstellung zu erreichen [7]. Es wurde gezeigt, dass hochfrequente mechanische Schwingungen im MHz-Bereich die Temperaturen für einen Gel-zu-Flüssig-Übergang in dynamisch vernetzten Netzwerken reduzieren können, indem sie die Kettenmobilität erhöhen [8]. In dieser Arbeit wurden die potenziell vorteilhaften Reaktionen dieser Materialien auf Schwingungen zum Anlass genommen, kohlenstofffaserverstärktes Vitrimer (CF-Vitrimer) mittels Leistungsultraschall zu verarbeiten [9].

Durch die Überlagerung von Ultraschallschwingungen und moderaten Kräften wurden CF-Vitrimer Prepregs in sekundenschnelle verarbeitet. Eine speziell ausgelegte Sonotrode (Abbildung 1a) funktioniert als Matrize, um die Schwingungen und Kräfte in 2-5 gestapelte Prepreg-Lagen (Abbildung 1b) einzubringen, das Gewebe mit der Vitrimermatrix von der Oberfläche aus zu imprägnieren. Gleichzeitig wurden mit Hilfe einer Gegenform (Abbildung 1c Patrize) CFK-Halbschalen geformt (Abbildung 1d) und im letzten Schritt zum dreidimensionalen Körper ultraschallgeschweißt (Abbildung 1e,f). Im Vergleich zu etablierten Prozessen der CFK-Herstellung und -Verarbeitung liegen die Hauptvorteile des hier vorgestellten Verfahrens in der hohen Geschwindigkeit, den geringen Prozesskräften und kostengünstigen Werkzeugen. Auch wenn eine vollständige Energiebilanzierung schwierig ist, wird zudem aufgrund der kurzen Zykluszeiten und der direkten Energieeinbringung ein deutlich geringerer Energieverbrauch erwartet. Typische Defekte durch die Verarbeitung von CFK sind Poren, Falten, Delaminationen, Faserfehlstellungen oder -brüche, sowie eine thermische Degradation der Matrix, die die mechanische Festigkeit erheblich reduzieren. Die mikrostrukturellen Eigenschaften sowie das mechanische Verhalten in Bezug auf Festigkeit und Steifigkeit wurden daher als Indikatoren für die Qualität der hergestellten Strukturen untersucht. Das mechanische Verhalten der erzeugten Strukturen und die Mikrostruktureigenschaften korrelieren stark mit den Prozessparametern. Erst ab einer bestimmten eingebrachten Energiemenge, die aus der Kombination der Amplitude (ca. 25 µm), der aufgebrachten Kraft (ca. 2000 N) und der Prozesszeit (2 s) resultiert, wurden belastbare bis zu 5-lagige CF-Vitrimer-Halbschalen mit einem Faservolumengehalt von mehr als 60% und einem Porengehalt von weniger als 2% erzeugt und gefügt. Besonders bemerkenswert sind die exzeptionell schnellen Prozesszeiten und die nahezu fehlerfreie Konsolidierung mehrerer Prepreg-Lagen, obwohl die Polymermatrix im Ausgangszustand lediglich oberflächlich verteilt war. Damit stellt das Ultraschall-Umformen eine vielversprechende Alternative zu etablierten Verfahren dar. Zukünftig sollen daher detaillierte Untersuchungen zur FKV-Qualität sowie die Weiterentwicklung der formgebenden Komponenten hin zu größeren und dickeren Strukturen durchgeführt werden.

Referenzen [1] Kumar V, Kuang W, Fifield LS (2024) Carbon Fiber-Based Vitrimer Composites: A Path toward Current Research That Is High-Performing, Useful, and Sustainable. Materials 17. https://doi.org/10.3390/ma17133265 [2] Fortune Business Insights (2024) Thermoplastic Composites Market Size, Share & Industry Analysis Forecast [3] Ning H, Lu N, Hassen AA et al. (2020) A review of Long fibre thermoplastic (LFT) composites. International Materials Reviews 65:164–188. https://doi.org/10.1080/09506608.2019.1585004 [4] Klingler A, Reisinger D, Schlögl S et al. (2024) Vitrimer Transition Phenomena from the Perspective of Thermal Volume Expansion and Shape (In)stability. Macromolecules https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c00207 [5] Debsharma T, Amfilochiou V, Wróblewska AA et al. (2022) Fast Dynamic Siloxane Exchange Mechanism for Reshapable Vitrimer Composites. J Am Chem Soc 144:12280–12289. https://doi.org/10.1021/jacs.2c03518 [6] Breuer UP (2016) Commercial Aircraft Composite Technology. Springer International Publishing, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-31918-6 [7] Lorenz N, Dyer WE, Kumru B (2025) High-Performance Vitrimer Entailing Renewable Plasticizer Engineered for Processability and Reactivity toward Composite Applications. ACS Appl Polym Mater 7:1934–1946. https://doi.org/10.1021/acsapm.4c03731 [8] Heidari M, Gaichies T, Leibler L et al. (2024) Polymer time crystal: Mechanical activation of reversible bonds by low-amplitude high frequency excitations. Sci Adv 10:eadn6107. https://doi.org/10.1126/sciadv.adn6107 [9] Liesegang M, Ettmüller S (2025) A novel approach to rapidly process vitrimer composites using power ultrasonics. Springer Discover Mechanical Engineering (in peer review)

Jun.-Prof. Dr.-Ing. Moritz Liesegang