Prepreg & Autoklav: vorgetränkte Fasern, exakter Zyklus, porenarmes Laminat

Prepreg – von englisch pre-impregnated – ist Fasermaterial, das der Hersteller bereits mit einer exakt dosierten Harzmenge getränkt hat. Das Harz steht dabei im sogenannten B-Stage: Es ist angereagiert, aber nicht ausgehärtet, also weder flüssig noch fest, sondern klebrig und biegsam. Der Verarbeiter tränkt nichts mehr; er legt nur noch ab, verdichtet und härtet aus. Damit fällt genau der Arbeitsschritt weg, der im Handlaminat die größte Streuung erzeugt – und mit ihm die Frage, wie viel Harz am Ende tatsächlich im Bauteil steckt.

Was im Prepreg steckt

Ein Prepreg wird über drei Kennwerte beschrieben, die zusammen das spätere Laminat festlegen. Das Faserflächengewicht bestimmt, wie viel tragendes Material je Lage vorhanden ist. Der Harzgehalt in Gewichtsprozent – bei Strukturprepregs typisch 35 bis 40 Prozent – legt das Verhältnis fest. Aus beidem ergibt sich die ausgehärtete Lagendicke, die der Hersteller im Datenblatt ausweist. Für die Sorte 8552/35%/134 – also 35 Prozent Harzanteil bei 134 g/m² Faserflächengewicht – nennt Hexcel mit AS4-Faser eine nominale Lagendicke von 0,130 mm und einen nominalen Faservolumengehalt von 57,4 Prozent; mit der feineren IM7-Faser sind es 0,131 mm und 57,7 Prozent. Schwerere Sorten desselben Harzsystems fallen entsprechend dicker aus. Das ist der eigentliche Unterschied zum Handlaminat: Die Wandstärke steht vor dem ersten Handgriff fest.

Zwei weitere Eigenschaften entscheiden über die Verarbeitbarkeit. Der Tack, also die Klebrigkeit, hält die Lage in der Form, ohne dass sie verrutscht – zu wenig davon, und das Material fällt aus senkrechten Flächen; zu viel, und es lässt sich nicht mehr korrigieren. Die Drapierbarkeit beschreibt, wie gut sich die Lage doppelt gekrümmten Flächen anlegt, ohne Falten zu werfen. Beide Eigenschaften sind temperaturabhängig und nehmen mit der Zeit ab – womit die drei Uhren ins Spiel kommen, die den Prepreg-Betrieb bestimmen.

Die drei Uhren: Shelf Life, Tack Life, Out Life

Prepreg altert, weil die Reaktion nie ganz stillsteht. Sie wird durch Kälte nur verlangsamt. Daraus folgen drei getrennt geführte Fristen, und ihre Verwechslung ist der klassische Anfängerfehler im Prepreg-Betrieb.

• Shelf Life: die maximale Lagerdauer ab Herstelldatum bei −18 °C im ungeöffneten, feuchtedichten Beutel. Hexcel nennt für das Autoklavsystem HexPly 8552 zwölf Monate, für das Out-of-Autoclave-System HexPly M56 achtzehn Monate.
• Tack Life: die Zeit bei Raumtemperatur, in der das Material noch genug Klebrigkeit für den Aufbau hat – bei 8552 zehn Tage, bei M56 dreißig Tage bei 23 °C.
• Out Life: die aufsummierte Zeit außerhalb der Tiefkühlung bis zum Aushärten. Bei 8552 sind es 30 Tage, bei M56 35 Tage bei 23 °C. Aufsummiert heißt: Jede Entnahme zählt mit, auch wenn die Rolle zwischendurch wieder eingefroren wird.

Praktisch heißt das: Der Betrieb braucht eine Tiefkühlkette, eine Chargenverwaltung und ein Protokoll, das jede Entnahme mit Datum und Dauer festhält. Ist die Out Life aufgebraucht, ist das Material auszusondern – auch wenn es sich noch verarbeiten ließe, denn der Tack sagt nichts über den Vernetzungsgrad. Und vor dem Öffnen muss die Rolle geschlossen auf Raumtemperatur kommen, sonst schlägt sich Kondenswasser auf dem Material nieder und landet als Feuchte im späteren Laminat.

Der Autoklav-Zyklus: zwei Stufen, nicht eine

Ein Autoklav ist ein beheizbarer Druckkessel. Das Bauteil wird darin nicht einfach warm gemacht, sondern nach einem festen Fahrplan gefahren, den der Harzhersteller vorgibt. Für HexPly 8552 sieht dieser Fahrplan so aus: erst Vollvakuum von 1 bar anlegen, dann 7 bar Überdruck aufbauen und das Vakuum auf einen Sicherheitswert von 0,2 bar zurücknehmen, sobald der Kesseldruck etwa 1 bar erreicht hat. Anschließend mit 1 bis 3 °C je Minute auf 110 ± 5 °C aufheizen und dort 60 Minuten halten, danach mit derselben Rate auf 180 ± 5 °C und dort 120 Minuten halten. Abgekühlt wird mit 2 bis 5 °C je Minute; der Kesseldruck bleibt, bis das Bauteil unter 60 °C liegt.

Die Zwischenstufe bei 110 °C ist kein Zeitverlust, sondern der Kern des Verfahrens. Beim Aufheizen fällt die Harzviskosität zuerst stark ab, bevor die Vernetzung sie wieder ansteigen lässt. In genau diesem Viskositätsminimum fließt das Harz, füllt Hohlräume und lässt sich unter Druck verdichten. Wer zu schnell durchheizt, geliert das System, bevor es fließen konnte. Deshalb hängt die zulässige Aufheizrate auch an der Bauteildicke: Dicke Laminate brauchen langsamere Rampen, damit die Reaktionswärme im Inneren nicht davonläuft.

Der Druck selbst wirkt auf zwei Wegen. Er hält das Lagenpaket während der Fließphase kompakt, sodass das Laminat die im Datenblatt genannte Lagendicke und den nominalen Faservolumengehalt tatsächlich erreicht – abgepresst wird dabei kein Harz: Strukturprepregs dieser Klasse sind auf ihren Harzgehalt hin eingestellt, und Hexcel weist die gemessenen Lagendicken des M56-Systems ausdrücklich als Zero-Bleed-Werte aus. Und er drückt Gase, die aus eingeschlossener Luft und Restfeuchte stammen, zurück in Lösung, bevor das Harz geliert. Genau daraus folgt der Qualitätsvorsprung des Autoklavs: Aerospace-taugliche Prepregsysteme erreichen unter Druck Porengehalte unter einem Prozent. Wie viel Druck nötig ist, hängt vom Bauteil ab – für Wabensandwich senkt Hexcel den Wert bei identischem Temperaturprofil von 7 auf 3,2 bar, weil die Wabe sonst zusammenbricht.

Out-of-Autoclave: wenn das Vakuum allein reichen muss

Out-of-Autoclave-Prepregs, auch Vacuum-Bag-Only oder VBO genannt, härten ohne Überdruckkessel aus – im Ofen, allein unter Vakuum. Damit steht statt der 7 bar Überdruck nur noch das Vakuum zur Verfügung: anfangs rund 0,95 bar, also gut ein Siebtel, und in der 180-°C-Stufe bei monolithischen Bauteilen sogar nur noch 0,5 bar – rund ein Vierzehntel des Autoklavdrucks. Dass die Laminate trotzdem porenarm werden, liegt an einer anderen Materialarchitektur: Diese Prepregs sind bewusst nur teilimprägniert. Zwischen den harzreichen Zonen bleiben trockene, luftdurchlässige Bahnen im Fasergefüge, über die das Vakuum die eingeschlossene Luft in der Ebene herausziehen kann. In der Fachliteratur heißen sie Engineered Vacuum Channels. Erst im Verlauf des Zyklus wandert das Harz in diese Kanäle und schließt sie.

Der Preis dafür ist Disziplin beim Aufbau. Weil kein Überdruck spätere Fehler ausbügelt, muss die Luft vorher heraus: Hexcel empfiehlt für M56, die erste Lage am Werkzeug zu verdichten und danach etwa alle drei Lagen für 5 bis 10 Minuten unter Vakuum zu kompaktieren – das sogenannte Debulking. Der Zyklus selbst fährt dasselbe Temperaturprofil wie im Autoklav: mit 1 bis 3 °C je Minute auf 110 °C, dort 60 Minuten halten, dann bei monolithischen Bauteilen das Vakuum von 0,95 auf 0,5 bar zurücknehmen, weiter auf 180 °C und dort 120 Minuten halten. Bei Sandwichaufbauten mit Wabe oder Schaumkern entfällt diese Rücknahme – dort steht das volle Vakuum über den ganzen Zyklus. Abgekühlt wird unter Vakuum mit höchstens rund 2,8 °C je Minute; gelüftet wird erst unter 60 °C Laminattemperatur. Wie weit dieses Verfahren inzwischen trägt und wo seine Grenzen liegen, vertieft das Dossier zu Prepreg und Out-of-Autoclave.

Kriterium	Autoklav (HexPly 8552)	Out-of-Autoclave (HexPly M56)
Konsolidierung	7 bar Überdruck plus Vakuum	nur Vakuum: 0,95 bar bis zur 110-°C-Stufe, danach 0,5 bar (monolithisch)
Temperaturprofil	1–3 °C/min auf 110 °C / 60 min, dann 180 °C / 120 min	identisch, ebenfalls 1–3 °C/min
Shelf Life bei −18 °C	12 Monate	18 Monate
Tack Life bei 23 °C	10 Tage	30 Tage
Out Life bei 23 °C	30 Tage	35 Tage
Debulking	nicht zwingend – der Druck gleicht aus	erste Lage am Werkzeug, danach etwa alle drei Lagen 5–10 min
Bauteilgröße	durch das Kesselvolumen begrenzt	durch den Ofen begrenzt, deutlich größer möglich
Empfindlichkeit gegen Aufbaufehler	gering	hoch – der Aufbau entscheidet über den Porengehalt

Was die Form aushalten muss

Ein Aushärtezyklus bei 180 °C und 7 bar stellt an das Werkzeug höhere Anforderungen als an das Bauteil. Drei Punkte sind entscheidend. Erstens die Temperaturbeständigkeit: Die Glasübergangstemperatur des Formwerkstoffs muss deutlich über der Prozesstemperatur liegen, sonst verzieht sich die Form im ersten Zyklus. Eine kalthärtende Form scheidet damit aus: Ein kalthärtendes Epoxid-Formenlaminat erreicht ohne Temperung nur eine Glasübergangstemperatur von 50 bis 60 °C, und Polyester- wie Vinylester-Formenharze bleiben mit Wärmeformbeständigkeiten von 60 bis 100 beziehungsweise 80 bis 150 °C ebenfalls weit unter 180 °C. Zweitens die Formstabilität unter Druck: Das Werkzeug trägt im Autoklav die volle Kesselkraft, und die wirkt auf jeden Quadratzentimeter. Drittens die Wärmeausdehnung: Beim Abkühlen schrumpfen Werkzeug und Bauteil unterschiedlich stark, und die Differenz landet als Maßabweichung im Teil. Deshalb werden Autoklav-Werkzeuge häufig aus Invar oder aus Carbonfaser gebaut – Werkstoffe, deren Ausdehnung nahe an der des Bauteils liegt. Der Vergleich der Werkzeugmaterialien ordnet die Optionen samt Kostenfolge ein.

Wann sich Prepreg rechnet – und wann nicht

Prepreg ist kein besseres Handlaminat, sondern ein anderes Betriebsmodell. Das Material ist teuer, es verlangt eine Tiefkühlkette samt Chargenverwaltung, ein temperatur- und druckfestes Werkzeug und eine Ofen- oder Autoklavanlage mit Prozessdokumentation. Dafür liefert es reproduzierbare Kennwerte: Faservolumengehalte von 55 bis 65 Prozent, Porengehalte unter einem Prozent und eine Lagendicke, die vorab bekannt ist. Genau diese Reproduzierbarkeit ist der Grund, warum die Luftfahrt am Verfahren festhält – dort muss jedes Bauteil einem qualifizierten Datensatz entsprechen, und wie aufwendig eine solche Qualifikation ist, zeigt das Dossier zur NCAMP-Qualifikation.

Für alles darunter lohnt der ehrliche Vergleich. Die Vakuuminfusion erreicht 50 bis 60 Prozent Faservolumengehalt mit deutlich geringerer Investition und ohne Kühlkette, das Handlaminat je nach Verstärkung 15 bis 40 Prozent. Der Sprung von der Infusion zum Prepreg kostet also viel und bringt beim Faseranteil vergleichsweise wenig – bezahlt wird vor allem für die Streuungsarmut, für die Oberfläche und für die Belegbarkeit. Wo diese drei Dinge nicht gefordert sind, ist Prepreg die teuerste Art, ein gutes Laminat zu bauen.