Keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites – CMC) zeichnen sich durch ihre Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit, ihr schadenstolerantes Verhalten und ihre geringe Dichte aus. Sie eignen sich damit für Anwendungen in extremen Umgebungen und werden vor allem in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, z. B. in Satellitenstrukturen. Weitere Anwendungsbereiche finden sich in der Automobilindustrie, z.B. in Brems- oder Kupplungsscheiben, oder im Maschinenbau, z.B. in Schutzhülsen für Pumpenanwendungen.
Am Institut für Materials Resource Management haben Forschende nun erstmals eine Methode entwickelt, wie sich lokale Schäden in CMC-Bauteilen reparieren lassen. 

Bauteile reparieren, Ausschuss vermeiden

Gerade in sensiblen Anwendungsfeldern ist die volle Funktionstüchtigkeit der CMC-Werkstoffe unabdingbar. Allerdings sind lokale Materialfehler oder Schädigungen während der Produktions- und Nutzungsphase der Komponenten oft nicht zu vermeiden. Eine Reparatur von lokal geschädigten CMC-Komponenten und der weitere Einsatz der reparierten Komponente waren bisher nicht möglich. CMC-Bauteile, die während der Produktion geschädigt wurden, werden bislang direkt als Ausschuss entsorgt. Während der Nutzungsphase auftretende Schädigungen führen zu einem Ausfall des Bauteils, dessen Austausch und Entsorgung.
„Mit dem neuen Verfahren zeigen wir jetzt eine realistische Möglichkeit auf, Ausschussbauteile, die während des Produktionsprozesses geschädigt wurden, so zu reparieren, dass sie dennoch eingesetzt werden können, und das sogar für hochanspruchsvolle Anwendungen in der Raumfahrt“, sagt Prof. Dr.-Ing. Dietmar Koch. Der Professor für Materials Engineering leitet das Projekt “Repair Concepts for Reduced Reject Rates of virgin and overhauled CMC” (R4CMC).

Reparaturverfahren entwickelt

R4CMC wurde vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie gefördert mit dem Ziel diese signifikante Lücke in der CMC-Materialforschung und der CMC-Produktion zu schließen. Zusammen mit einem Konsortium aus Wirtschaft und Wissenschaft und eingebettet in das KI-Produktionsnetzwerk Augsburg arbeitete der Lehrstuhl Materials Engineering am Institut für Materials Resource Management an der Entwicklung von Reparaturkonzepten für lokal geschädigte keramische Faserverbundwerkstoffe aus carbonfaserverstärktem Siliziumkarbid (C/SiC) und siliziumkarbidfaserverstärktem Siliziumkarbid (SiC/SiC).
Der Fokus lag auf CMC-Materialien, die in der industriellen Produktionsphase geschädigt wurden. In der dreijährigen Projektlaufzeit, die mit Ablauf des Jahres 2024 endete, konnten durch das Konsortium erfolgreich Reparaturverfahren entwickelt werden, welche durch einen Abtrag allein des geschädigten Bereichs und eine Verfüllung z.B. mit keramischen Inlays die Funktionsfähigkeit des geschädigten CMC-Materials wieder herstellen.
„Das Projekt trägt durch die Entwicklung neuer werkstoffbezogener Prozesstechnologien dazu bei, Ressourcen in der Produktionsphase einzusparen und die Materialeffizienz von keramischen Faserverbundmaterialien zu erhöhen, was ökologische und wirtschaftliche Vorteile für die Nutzung von CMC mit sich bringt“, sagt Koch weiter. Diese Aspekte werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Lehrstuhl Materials Engineering in einem Anschlussprojekt weiter vertiefen.