Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette


Diplomarbeit, 2014

133 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe


Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkurzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Technik
2.1 Faserverbundkunststoffe
2.1.1 Allgemeine Faserverbundwerkstoffe
2.1.2 Kohlenstofffaserverstarkte Kunststoffe
2.1.3 Duromere
2.1.4 Thermoplaste
2.1.5 Halbzeuge
2.2 Fertigungsverfahren
2.2.1 Handlaminieren
2.2.2 LCM-Verfahren
2.2.3 Tapelegen/ Automatic Fiber Placement
2.2.4 Autoklavtechnik
2.2.5 Pultrusion
2.2.6 Wickeltechnik
2.3 Prufmethoden
2.4 Technologische Schnittstellen und Wechselwirkungen

3 Identifizierung von moglichen Wechselwirkungen
3.1 Prozesskette des Forschungsprojektes HP CFK
3.2 Identifizierung moglicher Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette
3.3 Auswahl der zu untersuchenden Wechselwirkung

4 Theoretische Analyse der Wechselwirkung Infusion/ Autoklav mit dem Qualitatskriterium Poren
4.1 PoreninCFK-Bauteilen
4.2 Einfluss des Infusionsprozesses auf Poren
4.3 Einfluss des Autoklaven auf Poren

5 Experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung
5.1 Versuchsaufbau
5.1.1 Harzsystem
5.1.2 Verstarkungsfasern
5.1.3 Warme-und Trockenofen
5.1.4 Vakuumaufbau
5.2 Versuchsdurchfuhrung
5.3 Versuchsauswertung
5.3.1 Beobachtungen und Erkenntnisse derVersuchsdurchfuhrung
5.3.2 Einfluss des Vakuumdruckes nach der Infusion
5.3.3 Einfluss des Druckgradienten wahrend der Infusion
5.3.4 Einfluss der Luftfeuchtigkeit
5.3.5 Einfluss des Umgebungsdruckes beim Ausharten
5.3.6 Einfluss der Infusionstemperatur
5.3.7 Einfluss der Fadenorientierung
5.3.8 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse

6 Abgleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Voruberlegungen
6.1 Vergleich der Ergebnisse zu den EinflussgroRen Harzgeschwindigkeit/ Infusionstemperatur
6.2 Vergleich der Ergebnisse zur EinflussgroRe Prozessdruck
6.3 Vergleich der Ergebnisse zur EinflussgroRe Fadenorientierung
6.4 Vergleich der Ergebnisse zur EinflussgroRe Vakuumdruck nach der Infusion bzw. beim Ausharten
6.5 Vergleich der Ergebnisse zur EinflussgroRe Luftfeuchtigkeit
6.6 Vergleich der Ergebnisse Umgebungsdruck beim Ausharten
6.7 Zusammenfassung

7 Zusammenfassung Ausblick

8 Literaturverzeichnis

Abstract

Thema der Arbeit: Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen techno-

logischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb ei­ner CFK-Prozesskette

Labinot Jashari

Abgabedatum: 31.03.2014

Der vermehrte Einsatz von CFK in der zivilen Luftfahrt bringt hohe Anforderungen fur die Fertigung von Hochleistungskomponenten mit sich. Zur Sicherstellung der gefor- derten Bauteilqualitat mussen die Fertigungsprozesse innerhalb der Prozesskette so aufeinander abgestimmt werden, dass eine nahezu fehlerfreie Fertigung moglich ist. Daher wird in dieser Arbeit die vorgegebene Prozesskette zur Fertigung eines De­monstrators des Forschungsprojektes HP CFK auf mogliche Wechselwirkungen un- tersucht, welche dann in einem Workshop bewertet werden und die Wechselwirkung mit dem starksten Einfluss auf die Bauteilqualitat einer Charakterisierung unterzogen wird. Anhand dieser Charakterisierung und einer anschlieRenden experimenteller Untersuchungen der Wechselwirkung werden Einflusse auf ein Qualitatskriterium untersucht und die Ergebnisse miteinander verglichen. Die so gewonnenen Erkennt- nisse zur Starke der Einflussnahme durch Prozess- oder Umgebungsbedingungen konnen dazu genutzt werden die Fertigungsprozesse bei der Auslegung der Pro­zesskette optimal aufeinander abzustimmen, so dass die Wechselwirkung zur Si­cherstellung der Bauteilqualitat kontrolliertwerden kann.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2-1: Anordnung von Duromeren

Abbildung 2-2: Anordnung von Thermoplasten

Abbildung 2-3: Anlagenaufbau zur Prepregherstellung

Abbildung 2-4: Fertigungsfolge beim Harzinjektionsverfahren

Abbildung 2-5: Lagenaufbau Harzinfusionsverfahren

Abbildung 2-6: Tapelegekopf

Abbildung 2-7: AFP-Maschine bei der Bearbeitung gekrummter Formen

Abbildung 2-8: Fertigungsfolge beim Resin Film Infusion

Abbildung 2-9: Verfahrensaufbau beim Nasswickeln

Abbildung 2-10: Aufbau einer Prozesskette

Abbildung 3-1: Demonstrator

Abbildung 3-2: Prozesskette zur Fertigung des Demonstrators

Abbildung 3-3: Betrachtete Fertigungsprozesse

Abbildung 3-4: Wechselwirkungen zwischen den fertigungsprozessen

Abbildung 4-1: GroRenordnung von Poren

Abbildung 4-2: Porengehalt uber Kapillarzahl

Abbildung 4-3: Einfluss von Harzfrontgeschwindigkeit und Harzviskositat auf das Faserverbundbauteil

Abbildung 4-4: Geschwindigkeit von Mikroporen in Abhangigkeit der Harzgeschwindigkeit

Abbildung 4-5: Porengehalt bei einem hohen Entluftungsdruckvon 1,0 bar (links) und bei einem niedrigen Entluftungsdruck von 0,1 bar (rechts)

Abbildung 4-6: Abhangigkeit der Permeabilitat vom Faservolumengehalt

Abbildung 4-7: Anteil des Porengehaltes in Kett- und Schussfaden

Abbildung 4-8: Allgemeine Zyklen der ProzessgroRen beim Autoklavprozess

Abbildung 4-9: Porendruck in Abhangigkeit von Porendurchmesser und dem Druck im Harz

Abbildung 4-10: Porengehalt uber den prozentualen Anteil des vollen Umgebungsdruckes beim Ausharten von 7 bar (100%)

Abbildung 4-11: Porengehalt in Abhangigkeit des Umgebungsdruckes beim Ausharten

Abbildung 4-12: Verlauf von Porenradius, Temperatur, Druck und Viskositat wahrend des Autoklavzyklus zur Untersuchung der Porenentwicklung

Abbildung 5-1: Harzviskositat von 977-20 fur verschiedene Temperaturen

Abbildung 5-2: Glasfilamentgewebe aus E-Glas

Abbildung 5-3: Warme- und Trockenofen

Abbildung 5-4: Legeschema multiaxialer Lagenaufbau

Abbildung 5-5: Markierung des Infusionsbereiches und nachfolgendes Eintrennen

Abbildung 5-6: Auflegen des Lagenaufbaus auf die eingetrennte Flache

Abbildung 5-7: Anbringen der FlieRhilfe

Abbildung 5-8: Anbringen der PTFE-Schlauche fur Zu- und Abfluss

Abbildung 5-9: FertigerVakuumaufbau

Abbildung 5-10: EndgultigerVersuchsaufbau

Abbildung 5-11: Versuchsaufbau zurVariation des Infusionsdruckes

Abbildung 5-12: Voranschreitende HarzflieRfrontwahrend der Infusion Probe

Abbildung 5-13: Vollstandige Durchtrankung Probe 16

Abbildung 5-14: HarzflieRgeschwindigkeit

Abbildung 5-15: Harzverbrauch

Abbildung 5-16: Anordnung der Ultraschallmessung

Abbildung 5-17: Amplitudensignal wahrend des Scans derVersuchsprobe

Abbildung 5-18: Unterseitenecho der Probe 4

Abbildung 5-19: Unterseitenecho der Probe 5

Abbildung 5-20: Unterseitenecho der Probe 15

Abbildung 5-21: Ruckwandecho der Probe 4

Abbildung 5-22: Ruckwandecho der Probe 15

Abbildung 5-23: Ruckwandecho zur Probendicke der Probe 4

Abbildung 5-24: Ruckwandecho zur Probendicke der Probe 22

Abbildung 5-25: Unterseitenecho der Probe 23

Abbildung 5-26: Oberseitenecho der Probe 23

Abbildung 5-27: Porenverteilung Probe 11 (links) und Probe21 (rechts)

Abbildung 5-28: Unterseitenecho der Probe 11

Abbildung 5-29: Unterseitenecho der Probe 24

Abbildung 5-30: Unterseitenecho der Probe 21

Abbildung 5-31: Ruckwandecho derProbe 11

Abbildung 5-32: Ruckwandecho der Probe 21

Abbildung 5-33: Ruckwandecho zur Probendicke der Probe 11

Abbildung 5-34: Ruckwandecho zur Probendicke der Probe 21

Abbildung 5-35: Ruckwandecho der Probe 16

Abbildung 5-36: Ruckwandecho zur Probendicke der Probe 16

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3-1: Qualitatskriterien der betrachteten Fertigungsprozesse

Tabelle 3-2: Bewertungskriterien und zugehoriges Punktesystem

Tabelle 3-3: Bewertungsmatrix der Fertigungsprozess AFP/ Autoklav

Tabelle 3-4: Prozessparameter der Fertigungsprozesse

Tabelle 3-5: Vollstandige Bewertungsmatrix furdie Wechselwirkung Porengehalt AFP/ Autoklav

Tabelle 3-6 Erneuerte Bewertungsmatrix fur das Qualitatskriterium Faservolumengehalt infolge derAushartung im Autoklaven

Tabelle 3-7: Gegenuberstellung der einzelnen Qualitatskriterien

Tabelle 3-8: Ranking der Qualitatskriterien

Tabelle 3-9: Ranking der Wechselwirkungen

Tabelle 5-1: Untersuchte Prozessparameter und deren Auspragungen

Tabelle 5-2: Versuchsplanmatrix

Tabelle 5-3: Einfluss der Prozessparameter auf Poren

Tabelle 6-1: Ergebnis des Abgleichs theoretisch beschriebener und experimentell ermittelter Einflusse auf Poren

Abkurzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Moderne Flugzeuge lassen auch hinsichtlich der beabsichtigten Leichtbauweisen einen vermehrten Einsatz an kohlenstofffaserverstarkten Kunststoffen (CFK) als Werkstoff mit zukunftigen Gewichtsanteilen von uber 60% erkennen. Die damit ein- hergehende Wirtschaftlichkeit des leichten Werkstoffes durch eine Senkung des Treibstoffverbrauchs wirkt den steigenden Treibstoffkosten entgegen und der damit verbundene Aspekt des geringeren C02-Austsosses wirkt sich auch positiv auf den Umweltschutz aus. Zu den gewichtsspezifischen Eigenschaften zahlen zudem die hohen Festigkeiten und Steifigkeiten von CFK. Auch das Forschungsprojekt HP CFK zielt darauf ab, einen Rumpfauschnitt eines Flugzeuges komplett aus CFK herzustel- len. Die dafur angedachte Prozesskette zur Herstellung dieses Rumpfauschnittes muss zur optimalen Auslegung auf vorhandene prozessubergreifende Wechselwir- kungen untersucht werden. Dadurch konnen die einzelnen Fertigungsprozesse auf- einander abgestimmt werden.

In dieser Arbeit werden die vorhandenen Wechselwirkungen innerhalb der Prozess­kette durch Beschreibung der Prozesskette identifiziert. Im nachsten Schritt erfolgt wahrend eines Workshops die Bewertung der erarbeiteten Wechselwirkungen, so dass die Auswahl der Wechselwirkung mit dem groRten Einfluss auf die Bauteilquali- tat vorgenommen wird. Die anschlieRende Charakterisierung dieser Wechselwirkung beinhaltet die Untersuchung der in Wechselwirkung zueinander stehenden Ferti­gungsprozesse. Dabei werden EinflussgroRen beider Fertigungsprozesse auf ein gemeinsames Qualitatskriterium erarbeitet und modelliert. Diese gewonnen Ergeb- nisse werden bei der experimentellen Untersuchung der Wechselwirkung dazu ge- nutzt, das Modell zu parametrieren und mittels der durchgefuhrten Versuche die Starke des Einflusses auf das Qualitatskriterium zu ermitteln. Dazu werden aus den Prozessparametern Paarungen gebildet und diese untereinander variiert. Nach der Auswertung der durchgefuhrten Versuche liefert ein abschlieRender Vergleich der experimentell erzielten Ergebnisse mit den theoretischen Voruberlegungen einen Uberblick hinsichtlich einer Ubereinstimmung des Einflusses der EinflussgroRen auf das Qualitatskriterium.

2 Stand der Technik

Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Grundlagen der Verbundwerkstoffe, insbe- sondere der kohlenfaserverstarkten Kunststoffe(CFK) und in die verschiedenen Fer- tigungsverfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen. Dabei werden zum besseren Verstandnis auch die Unterschiede zwischen Duroplasten und Thermoplasten her- vorgehoben. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird auf die Thermoplaste keine Beruck- sichtigung genommen, da ausschlieRlich der Einsatz von duromeren Harzsystemen erfolgt. Die angefuhrten Prufmethoden geben zudem einen Einblick der Moglichkei- ten zur Bewertung der Bauteilqualitat. Zum Ende des Kapitels wird dann noch ein Augenmerk auf die Begriffe der technologischen Schnittstellen und die der Wech- selwirkungen geworfen.

2.1 Faserverbundkunststoffe

Hier wird uber die Beschreibung allgemeiner Faserverbundkunststoffe anschlieRend naher auf die kohlenstofffaserverstarkten Kunststoffe eingegangen.

2.1.1 Allgemeine Faserverbundwerkstoffe

Bei einem Verbundwerkstoff handelt es sich um einen Mehrphasenwerkstoff, der sich aus einer kontinuierlichen Phase, der Matrix und einer oder mehreren diskontinuierli- chen Phasen in Form von Verstarkungskomponenten zusammensetzt [HOR01]. Da­bei werden die Verstarkungskomponenten in dem formgebenden Grundwerkstoff eingebettet und durch Wechselwirkungen der beteiligten Komponenten werden Ei- genschaften erzielt, die keine der Ausgangsstoffe besitzen oder die hoher sind als die Eigenschaften der Ausgangsstoffe [FIE09]. Faserverstarkte Kunststoffe sind da­bei eine Untergruppe der Verbundwerkstoffe [AVK10]. Bei Faserverbundkunststoffen kommen temperaturbestandige, hochfeste und hochsteife Fasern als Verstarkungs­komponenten zum Einsatz, die in einer mechanisch und thermisch hochbelastbaren polymeren Matrix zumeist in Hauptbelastungsrichtung angeordnet werden [BAT92], Die eingebrachten Fasern konnen dabei entweder einzeln in Kurz- oder Endlosfasern oder durch Verarbeitung der Fasern zu Halbzeugen als Gewebe und Gestricke in der Matrix vorliegen. Zu den kennzeichnenden Eigenschaften von Faserverbundwerk- stoffen zahlen unter anderem [R&G99]:

- hohe Steifigkeit
- hohe Festigkeit
- hohe Schwingfestigkeit
- geringe Warmeausdehnung
- gute Formstabilitat
- gunstiges Schlagverhalten
- Korrosionsbestandigkeit
- richtungsabhangige Eigenschaften
- stufenweises Versagen

Die Matrix und die Verstarkungsfasern erfullen dabei unterschiedliche Aufgaben mit- tels derer die geforderten Eigenschaften des Faserverbundkunststoffes erzielt wer- den. Zu den Hauptaufgaben der Matrix zahlen die Fixierung der Fasern in der ge- wunschten geometrischen Anordnung, die Ubertragung der Krafte auf die Fasern und auch zwischen den Fasern, das Stutzen der Fasern bei Druckbeanspruchung und der Schutz der Fasern vor Einwirkung von Umgebungsmedien [BAT92]. Die Fa­sern dagegen ubernehmen den wesentlichen Teil der Lastubertragung und bestim- men damit die maRgebenden mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerk- stoffes wie die Zug- und Biegefestigkeit, Energieaufnahmefahigkeit, Duktilitat und Schlagzahigkeit. Das auRere Erscheinungsbild des Faserverbundwerkstoffes wie Farbe oder Oberflachenstruktur wird zudem auch durch die Matrix bestimmt. Fur ein optimales Zusammenwirken der Fasern und der Matrix innerhalb des Verbundwerk- stoffes mussen die Fasern eine hohere Bruchfestigkeit und ein hoheres E-Modul als die Matrix haben und die Matrix dagegen sollte eine hohere Bruchdehnung als die Fasern vorweisen [DEH05]. Der Werkstoffzustand wird dabei erst im Bauteil erreicht, da die Verstarkungsfasern in eine flussige Reaktionsmasse eingebettet werden, wel- che mit der Zeit aushartet und somit fur eine Verankerung der Fasern in dem so ent- standenen festen Formstoff sorgt [R&G99]. Eigenfestigkeit des Fasermaterials, Fa- sergehalt, Form der Fasern, Faserorientierung, Haftung zwischen Faser und Matrix sowie die Herstellungsverfahren des Werkstoffverbundes entscheiden uber die Art und das AusmaR derVerstarkung infolge der Verstarkungsfasern [DEH05].

Bei der Form der Fasern wird zwischen Kurz- und Endlosfasern unterschieden, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Kurzfasern sind stochastisch verteilt und er- moglichen die Einstellung isotroper und somit richtungsunabhangiger Eigenschaften des Verbundes und weisen eine geringere Bruchwahrscheinlichkeit gegenuber End- losfasern auf. Der Nachteil zeigt sich in den nicht so hohen Festigkeiten und Elastizi- tatsmodulen wie bei Endlosfasern und kann bei hohen Fasergehalten zudem das Einbringen der Fasern in die Matrix erschweren. Die eingebrachten Kurz- oder Lang- fasern konnen entweder aus Einzelfasern in Form von Filamenten oder aus einem Bundel zusammengefasster Einzelfasern, sogenannten Rovings bestehen [HOR01, DEH05]. Endlosfasern dagegen machen den Einfluss von festigkeitsmindernden Scherspannungskonzentrationen an den Faserenden, die bei der Ubertragung der einwirkenden Krafte an der Faser-Matrix-Grenzflache auftreten bedeutungslos und kommen somit fur Bauteile die spateren Dauerlasten oder schwingender Belastung ausgesetzt sind zum Einsatz [AVK10, HOR01]. Werden die Endlosfasern bei gege- benem Faser- und Matrixmaterial und bei einem festgelegten Fasergehalt alle paral­lel angeordnet, so ergeben sich optimale mechanische Eigenschaften, was aber gleichzeitig zu starken richtungsabhangigen Verbundeigenschaften fuhrt. Soll der Faserverbundwerkstoff nicht nur Belastungen in einer sondern auch in zwei oder drei Richtungen standhalten konnen, so kann der Anisotropie durch die Anordnung der unidirektionalen Faserverbundwerkstoffschichten in verschiedenen Winkeln uberei- nander entgegengewirkt werden. Das sind dann quasiisotrope Werkstoffverbunde. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die Festigkeitswerte aufgrund der 45°- und 90°-Lagen nur etwa zu einem Drittel der Festigkeitswerte des unidirektionalen Ver­bundes entsprechen [HOR01]. Faserverbundwerkstoffe sind mit ihren Materialeigen- schaften und ihrer Leistungsfahigkeit vielfaltig einsetzbar, wobei deren Einsatzgebiet und auch Anwendungszweck auch vom gewahlten Fasermaterial abhangt. Als Fa­sern kommen dabei uberwiegend Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern zum Einsatz [FIE09]. Wahrend Kohlenstoffasern hohere Zugfestigkeiten oder Biegefestigkeiten als Glas- oder Aramidfasern besitzen, haben diese eine hohere Schlagzahigkeit als Kohlenstofffasern. Aramidfasern uberzeugen zudem mit ihrer geringen Dichte und Glasfasern sind kostengunstig [CTM13].

2.1.2 Kohlenstofffaserverstarkte Kunststoffe

Die sehr guten in groRen Bereichen variierbaren mechanischen Eigenschaften kom- biniert mit der geringen Dichte ermoglichen den Kohlenstofffasern eine herausste- chende Stellung als Verstarkungsfaser [Fied'09]. Einige kennzeichnende Eigen­schaften der Kohlenstofffaser sind [DEH05]:

- verhalten sich in Faserrichtung linear-elastisch
- Zugfestigkeit zwischen 2000 und 6000 N/mm2
- E-Modul zwischen 150 und 500 kN/mm2
- Festigkeitssteigerung mit zunehmender Temperatur und einem Maximum zwi­schen 1200-1600 °C
- thermisch stabil mit einem negativen Warmeausdehnungskoeffizienten in Fa­serrichtung, der bei 0,5 * 10-6 K_1 liegt
- geringer elektrischer Widerstand
- chemisch weitgehend inert
- unschmelzbar
- durchlassig fur Rontgenstrahlen
- biokompatibel

Die Einzelfasern weisen einen runden Querschnitt und eine glatte, strukturlose Ober- flache mit einem Faserdurchmesser, der meist zwischen 5-10 pm liegt auf. Die Aus- gangsmaterialien von C-Fasern sind Polyacrylnitril(PAN), Pech oder Zellulose. Der GroRteil der heute gebrauchlichen Hochleistungsfasern wird jedoch aus PAN gefer- tigt. Bei der Herstellung wird durch eine Reaktion des Ausgangsmaterials in einem oxidierenden Medium im ersten Schritt Wasserstoff abgespalten und es erfolgt eine Vororientierung des Molekuls in einer Pyridin-Ringanordnung, was die Faser un­schmelzbar und unbrennbar macht. Im zweiten Schritt wird bei einer Karbonisierung Cyanwasserstoff und Stickstoff abgespalten und es findet eine Zusammenlagerung der Pyridinketten zu molekularen Bandern statt, wodurch ein Kohlenstoffanteil von 96 bis 98 Gew.-% erreicht wird. Zudem wird durch unterschiedliche Temperaturen bei der Karbonisierung eine unterschiedlich starke Graphitstruktur ausgebildet, die mit einigen Gitterfehlstellen die Oberflache der C-Faser pragt. Diese Gitterfehlstellen in den C-Atomen stellen Zonen erhohter Energie und Reaktivitat dar. Mit der Hohe der Temperatur bei der Karbonisierung steigt die Perfektion der Graphitisierung, wodurch diese Fehlstellen ausgeheilt werden. Das hat eine Verringerung der Angriffsmoglich- keiten durch die Matrix zur Folge und fuhrt zudem dazu, dass die Faser/Matrix- Haftung sinkt [FIE09, AVK10]. Infolge der unterschiedlichen Temperaturen bei der Karbonisierung findet eine Unterscheidung der C-Fasern in

- HT(high tenacit)-Fasern=hochfeste Fasern (1200-1500 °C)
- IM(intermediate modul)-Fasern=Zwischenmodulfasern (1500-1800 °C)
- HM(high modul)- bzw. UHM(ultra high modul)-Fasern (bis zu 3000 °C) statt [DEH05].

Somit lassen sich nicht nur die elastischen, sondern auch die elektrischen und ther- mischen Eigenschaften wie Warmeleitfahigkeit und Ausdehnungskoeffizient der Koh- lenstofffasern in einem groRen Bereich variieren. Dadurch ist die Herstellung von kohlenstofffaser- bzw. carbonfaserverstarkten Kunststoffen (CFK) moglich, die keine thermische Ausdehnung besitzen und sich formstabil gegenuber Temperatur- schwankungen verhalten. Der sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizient wie- derum verringert die thermische Ausdehnung der Matrix. Diese Eigenschaften haben daher ihren Nutzen fur Anwendungen in der Raumfahrt oder aber auch im allgemei- nen Maschinenbau fur spezielle Anwendungen [HOR01, FIE09].

Damit aber ein optimales Zusammenspiel von Matrix und Faser und somit ein hohes Niveau der mechanischen Eigenschaften erzielt wird, muss eine hohe Gute der Grenzflachenhaftung zwischen Matrix und Faser vorhanden sein. Diese Grenz- schicht bestimmt die Beanspruchungsubertragung zwischen den beteiligten Kompo- nenten und damit auch die Effizienz der Verstarkungsfasern. Die Einhaltung dieser Gute kann durch eine groRe Anzahl an Oberflachenmodifikationen erreicht werden [DEH05, AVK10]. Dazu zahlen einerseits nichtoxidative Verfahren, wodurch entwe- der die Oberflache vergroRert, eine gezielte Veranderung der Schicht zwischen Fa­ser und Matrix bewirkt oder durch Beschichten der Faser mit Pyrokohlenstoff die me- chanische Verzahnung erhoht wird. Bei oxidativen Verfahren dagegen wird durch eine chemische Behandlung durch Bildung reaktiver Gruppen an der Faseroberfla- che, die mit reaktiven Gruppen aus der Matrix reagieren die Benetzbarkeit der Ober­flache der Kohlenstofffaser erhoht. Bei den oxidativen Verfahren jedoch sollte sehr kontrolliert und mit Vorsicht vorgegangen werden, da es durch einen oxidativen Ab- bau zu Kerbstellen an der Faseroberflache kommen kann, welche eine Verringerung der Faserfestigkeit nach sich ziehen [AVK10]. Die so entstandenen Haftungsmecha- nismen sind dann entweder kovalente Bindungen, chemische Bindungen oder me- chanische Bindungen bei denen die Matrix in die Riefen und Poren der Faseroberfla­che eingreift [HOR01].

2.1.3 Duromere

Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen aus einem polymeren Matrixmaterial wird zwischen den Einsatz von Duromeren bzw. Duroplasten und Thermoplasten unterschieden, die zusammen mit Elastomeren die drei unterschiedlichen Gruppen der Kunststoffe bilden. Duromere kennzeichnen sich dadurch, dass deren Molekule in alien Richtungen fest miteinander verbunden sind und sie somit ein 3D-Netzwerk bilden(Abbildung 2-1). Sie zahlen zu den hartbaren Kunststoffen, die plastisch nicht wieder verformt werden konnen. Aufgrund der starken Vernetzung ihrer Molekule sind Duromere weder schweiRbar noch schmelzbar und somit auch unloslich [DEH05].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Anordnung von Duromeren [BAC08]

Die Herstellung der zum Einsatz kommenden Matrixharze aus Duromeren erfolgt entweder uber Polymerisation oder Polykondensation bzw. Polyaddition. Die Duro­mere liegen bei der Verarbeitung als flussige Reaktionsmasse vor, mittels derer die Verstarkungsfasern getrankt werden und durch das Harten dieser Reaktionsmasse werden die Verstarkungsfasern in dem so entstandenen Formstoff fest eingebunden. Dabei werden den Duromeren durch Polymerisation infolge einer radikalischen Aus- hartung positive Eigenschaften wie kurze Hartezeiten bei der Verarbeitung mitgege- ben. Dagegen ist eine verringerte Zahigkeit nachteilig anderen Duromeren gegen- uber und auch im Vergleich zu Additionsharzen weisen Polymerisationsharze schlechtere Eigenschaften auf. Zur Reduzierung der Aushartezeit bei der Verarbei­tung mussen den Reaktionsharzen Harter zugemischt werden, welche fur einen schnelleren Ubergang der flussigen Reaktionsmassen in dreidimensional vernetzte Produkte sorgen. Ohne die Harter kann es ansonsten auch zu keiner Vernetzungs- reaktion kommen. Oftmals ist auch die Rede von Laminier- bzw. Impragnierharzen anstatt von Reaktionsharzen [BAT92]. Zu den so entstandenen Untergruppen der Duromere zahlen zum einen die ungesattigten Polyesterharze, die durch die Poly­merisation entstehen und aufgrund der gunstigen Materialkosten auf der einen Seite und der niedrigen Dichte sowie ihres mechanischen, chemischen und thermischen Leistungsprofils auf der anderen Seite fur vielseitige Anwendungen zum Einsatz kommen [AVK10]. Die aber mit Abstand wichtigste Untergruppe der Duromere fur Hochleistungs-Faserverbundbauteile stellen jedoch die Epoxidharze dar, die durch Polyaddition gebildet werden. Aufgrund ihrer besseren mechanischen und thermi- schen Eigenschaften wie hohere Warmebestandigkeit sowie der niedrigeren Viskosi- tat und daher der besseren Verarbeitbarkeit konnen sie fur hochwertige Anwendun- gen wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt und dem Maschinenbau einge- setzt werden. Selbst nach mehreren zehntausend Lastwechseln weisen Epoxidharze den geringsten Festigkeitsabfall und damit die groRte dynamische Festigkeit auf. Nachteilig sind der hohe Preis und die Neigung der Feuchtigkeitsaufnahme. Weitere Untergruppen stellen Polyurethan und die Phenolharze dar, wobei die Phenolharze ein ausgezeichnetes Brandverhalten aufweisen und in Verbindung mit ihren hohen Materialkosten zumeist Anwendung in der Luft- und Raumfahrt finden [BAT92, FIE09, R&G99]. Die Verarbeitung von Duromeren ist mit relativ einfach Prozessen und Werkzeugen realisierbar [FIE09]. Da aufgrund der Vernetzungsstruktur der Duromere eine thermische Umformung nach der Aushartung nicht mehr moglich ist, erfolgt die Formgebung schon vor der Aushartung und wird im ausgeharteten Zu- stand beibehalten [HOR01]. Bei der Aushartung werden die Molekulketten vernetzt indem eine Gelbildung stattfindet die zeitgleich von einer Glasbildung durch ein Ein- frieren der Segmentbewegungen begleitet wird. Die Aushartung dagegen ist tempe- ratur- und zeitabhangig, so dass sie viel Zeit benotigt. Sie bedarf zusatzlich einer Er- warmung wie auch einer aufwendigen Prozessuberwachung. Bei der Fertigung von Faserverbundkunststoffen ist der Aushartegrad eine entscheidende GroRe. Durch eine anforderungsgerechte und kostensparende Anpassung der Fertigungszyklen infolge der Auslegung von benotigten Materialien und Werkzeugen kann durch den Aushartegrad die Einhaltung der geforderten Qualitatsstandards gewahrleistet wer­den. Mittels einer Warmezufuhr wird eine Verarbeitung des Duromers erst moglich, wobei abhangig vom eingesetzten Duromer eine bestimmte Glasubergangstempera- tur erzielt werden muss. Diese Glasubergangstemperatur Tg, beschreibt die Tempe- ratur bei der eine Zustandsanderung vom glasartigen, eingefrorenen in den gummi- elastischen Bereich stattfindet und eine Entropiezunahme und somit eine Bewegung der Segmente hervorgerufen wird. Diese wird von einer Warmefreisetzung begleitet. Liegen die Verarbeitungstemperaturen knapp unterhalb der Zersetzungstemperatur des Duromers, so muss fur eine geeignete Warmeabfuhr gesorgt werden, damit es infolge der Warmeverteilung nicht zu einer Zersetzung des Duromers kommt [Fied'09]. Uber den Aushartegrad lasst sich die Sprodigkeit und die Warmeformbe- standigkeit einstellen, welche bei hoherem Aushartegrad hohere Werte aufweisen. Jedoch findet mit zu hohem Aushartegrad auch eine Abnahme der Bruchdehnung des Faserverbundbauteiles statt [HOR01].

2.1.4 Thermoplaste

Bei Thermoplasten dagegen handelt es sich um sehr lange und orientierungslos an- geordnete Molekule (Abbildung 2-2). UnterWarme zeigen sie ein plastisches Verhal- ten und lassen sich daher wiederholt verformen. Aufgrund der kaum vorhandenen Vernetzung der Molekule sind Thermoplaste schweiRbar und durch dieses Ein- schmelzen wieder verwendbar, was ein Recycling dieser Werkstoffgruppe zulasst [DEH05]. Weitere positive Eigenschaften sind eine hohe Thermostabilitat, eine hohe Duktilitat, eine unbegrenzte Lagerfahigkeit sowie eine geringe Feuchteaufnahme. Die kurze Verarbeitungszeit macht zudem kurzere Zykluszeiten bei der Halbzeug- bzw. Bauteilherstellung moglich. Als nachteilig ist eine hohe Viskositat anzufuhren, wodurch hohere Verarbeitungstemperaturen erforderlich sind um diese Viskositat in einen verarbeitungsfahigen Zustand uberfuhren zu konnen. Diese Viskositat bei Thermoplasten ist aber dennoch viel hoher als bei Duroplasten. Zudem sind Ther­moplaste sehr teuer und weisen neben einer fehlenden Klebrigkeit auch ein unbe- kanntes Langzeitverhalten vor [BAT92].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2: Anordnung von Thermoplasten [BAC08]

lm Vergleich zu Duromeren haben Thermoplaste eine bessere Ausnutzung der Fa- serfestigkeit unter Zugspannung aufgrund der hoheren Dehnung, eine hohere Schlagzahigkeit und zeigen zudem eine Kriechneigung bei hoheren Temperaturen. Desweiteren gestaltet sich die Impragnierung der Fasern aufgrund der hohen Visko­sitat schwieriger [HOR01]. Die am meisten eingesetzte Untergruppe der langfaser- verstarkten Thermoplaste bildet Polypropylen gefolgt von Polyamiden mit einer nicht allzu entscheidenden Bedeutung der anderen thermoplastischen Untergruppen. Fa- serverbundbauteile mit einer thermoplastischen Matrix stellen insgesamt eine sehr interessante Materialgruppe dar, da ihr werkstofft- und verfahrenstechnisches Ent- wicklungspotenzial hohe Wachstumsraten verspricht, so dass sie unter anderem fur sehr anspruchsvolle Aufgaben in der Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau ge- eignet sind [AVK10]. Auch bei Thermoplasten kann die Glasubergangs- oder auch die Kristallisationstemperatur als Ansatzpunkt zur Einleitung von Bewegung bei der Erwarmung bzw. der Spannungsentwicklung bei der Abkuhlung herangezogen wer- den [FIE09].

2.1.5 Halbzeuge

Die bei der Verarbeitung zum Einsatz kommenden Komponenten werden entweder direkt zum Endprodukt verarbeitet oder liegen als Halbzeug vor, die dann weiterver- arbeitet werden. Abhangig vom vorgesehenen Fertigungsverfahren konnen die ein- zelnen Fasern entweder nur auf Spulen zu einzelnen Bundeln bestehend oder aus vielen Endlosfilamenten aufgewickelt sein. Sie werden zudem zu flachigen textilen Halbzeugen wie Geweben, Geflechten oder Gelegen weiterverarbeitet. Diese textilen Verstarkungshalbzeuge konnen auf das Bauteil und auch auf das Anforderungsprofil angepasst werden. Zur Erzielung komplexer Bauteilgeometrien erfolgt die Verarbei­tung zu Preforms, die aus zugeschnittenen Halbzeugen bestehen und durch speziel- le Fugeverfahren miteinander verbunden sind [AVK10]. Eine weitere Moglichkeit ist die Herstellung von Prepregs. Dabei handelt es sich um mit Polymerharz vorgetrank- te und vorimpragnierte Halbzeuge, die anschlieRend bis zu ihrer Weiterverarbeitung bis zu sechs Monate bei -18 °C gelagert werden konnen [FIE09]. Die Lagerung bei so tiefen Temperaturen sorgt fur eine Verlangsamung einer kontinuierlich fortschrei- tenden Aushartung bzw. Alterung der Matrix im Prepreg [Klein'08]. Nachfolgend werden die unterschiedlichen Halbzeuge kurz beschrieben.

Gewebe bestehen aus sich rechtwinklig verkreuzenden Faden zweier Fadensyste- me, die Kett- und Schussfaden genannt werden. Die Art und Verkreuzung der Faden kennzeichnet die Bindung, die in den drei Grundtypen Leinwand-, Atlas- und Koper- bindung unterteilt wird [ERM07, PAR00]. Die Bindung gibt die Anzahl der stattfinde- nen Verkreuzungen innerhalb einer bestimmten Lange an. Indem den Geweben auf diese Art ein wellenformiger Fadenverlauf gegeben wird, ist mit einer Verschlechte- rung der mechanischen Eigenschaften der Gewebe im Vergleich zu unidirektionalen Verstarkungen, bei denen die Endlosfasern nur in Belastungsrichtung gestreckt vor- liegen, zu rechnen. Eine geeignete Auswahl des Bindungstypen sowie der Kett- und Schussfadendichte verringert die Fadenkrummung, so dass die EinbuRen in den me­chanischen Eigenschaften nicht so stark sind [AVK10, RUD97].

Bei Geflechten dagegen findet die Verkreuzung der Flechtfaden in schrager Richtung statt und es entsteht ein geschlossenes Warenbild. Dabei sollte bei der Herstellung die Fadenspannung aufrecht gehalten werden, die durch die standige Bewegung der Spulen zum Flechtmittelpunkt, dem Flechtauge, hin und wieder davon weg variieren kann. Diesem Problem kann mit Gewichts- und Federsystemen entgegengewirkt werden, wodurch eine Kompensation der unterschiedlichen Fadenlangen und somit ein gut ausgebildetes Verstarkungshalbzeug erzielt wird [AVK10].

Gelege bestehen aus einer oder mehreren parallelen Lagen gestreckter Faden, die alle unidirektional oder in verschiedenen Orientierungen angeordnet sein konnen [Erm'07], Bei mehreren Lagen erfolgt die Fixierung der einzelnen Lagen uber ein Maschinensystem oder durch chemische Bindungssysteme. Im Vergleich zu Gewe- ben und Gelegen sind die Faden gestreckt, was zu besseren mechanischen Eigen­schaften fuhrt. Solche Multiaxialgelege spielen in der Luftfahrt eine wichtige Rolle und ermoglichen die Herstellung von qualitativ hochwertigen Laminaten [AVK10].

Die mit Reaktionsharz vorgetrankten Fasergebilde (Prepregs) werden groRtechnisch vom Halbzeughersteller zur Verfugung gestellt und ermoglichen eine exakte Fa- serausrichtung und somit eine optimale Ausnutzung der Fasereigenschaften [Klein'08]. In Abbildung 2-3 ist der schematische Aufbau einer Anlage zur Prepreg- herstellung mit einer duromeren Matrix gezeigt. Hier erfolgt die Impragnierung der Fasern mittels Harzfolien, welche uber Walzen temperiert werden. Dadurch wird zum einen die fur die Impragnierung gunstige Harzviskositat eingestellt und durch den Walzendruckwird die Impragnierung zudem unterstutzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3: Anlagenaufbau zur Prepregherstellung [HUB10]

In einem vorangegangenen Schritt werden Tragerfolien mit der fur den Einsatz beab- sichtigten Matrix unter Temperaturzufuhrung beschichtet und zwischengelagert. Nachdem Harz und Fasern zusammengebracht werden, erfolgt eine Kuhlung und eine Aufwicklung der Prepregfolien, die dann bei erreichen einer vorbestimmten Lan­ge abgeschnitten werden. Dieser Herstellungsprozess wird Schmelzharzimpragnie- rung genannt und ist gut reproduzierbar. Er ermoglicht zudem eine genaue Einstel- lung des Faservolumengehaltes der Prepregs, der ungefahr bei 60% liegt. Die Pre- pregdicken liegen dabei im Bereich von 0,125-0,250 mm, um eine gute Faser-Matrix- Haftung zu erzielen und somit die Ausbildung faser- bzw. matrixreichen Zonen zu vermeiden [AVK10].

Weiterhin besteht die Moglichkeit neben den Hauptkomponenten Matrix und Faser auch die Integration anderer Materialien wie beispielsweise Faservliesen, Beschich- tungen oder Schaumen zur weiteren Verbesserung des Leistungsprofils der Faser- verbundkunststoffe [AVK10].

Neben den Halbzeugen fur duromere Faserverbundkunststoffe gibt es auch Halb- zeuge fur thermoplastische Faserverbundkunststoffe. Zu denen zahlen neben den thermoplastischen Prepregs, die vorimpragnierte Verstarkungshalbzeuge darstellen, auch Organobleche. Diese sind vollstandig impragniert und konsolidiert und konnen entweder aus den Prepregs oder auch direkt aus den Verstarkungsfasern und dem Thermoplast hergestellt werden. Die Konsolidierung bzw. Kompaktierung erfolgt ent weder im Autoklaven oder in einer Presse. Weiterhin existieren die nicht vorkonsoli- dierten Halbzeuge, bei denen die Verstarkungsfasern mit einem in Pulverform oder Faserform vorliegendem Thermoplastpolymer impragniert werden. Durch Aufheizen dieses Verbundes erfolgt die Impragnierung der Faserfilamente mit der geschmolze- nen Matrix, dem der Konsolidierungsschritt folgt [ERM07].

Entscheidend fur die Weiterverarbeitung der Halbzeuge ist deren Drapierbarkeit. Diese gibt an wie stark die Halbzeuge verformt werden konnen, ohne dass zum Bei- spiel eine Faltenbildung im Material hervorgerufen wird. Dabei sind die textilen Halb­zeuge drapierfahiger als die Prepregs, so dass bei Prepregs eine Drapierbarkeit teil- weise nur durch Erwarmung mit einhergehender Reduktion der Harzviskositat mog- lich ist. Daher eignen sich Prepregs fur Bauteile mit einfachen Geometrien wie zum Beispiel den Aufbau von dunnwandigen Schalenstrukturen [AVK10].

2.2 Fertigungsverfahren

Bei der Herstellung von CFK-Bauteilen bzw. Faserverbundwerkstoffen allgemein richtet sich das einzusetzende Fertigungsverfahren einerseits nach quantitativen Ge- sichtspunkten wie der Stuckzahl des herzustellenden Bauteils und andererseits nach qualitativen Gesichtspunkten. Darunter zahlen die GroRe, die Oberflachenbeschaf- fenheit, die Transparenz und ganz wichtig nach dem Anforderungsprofil der mecha- nischen Eigenschaften und dem vorhandenem Matrixmaterial das beabsichtigte Ein- satzgebiet des fertigen Endproduktes [R&G99]. Hier werden einige gangige Ferti­gungsverfahren fur die Herstellung von Faserverbundbauteilen vorgestellt.

2.2.1 Handlaminieren

Das Handlaminieren zahlt zu den altesten, einfachsten und am weitesten verbreite- ten Verfahren zur Herstellung von Prototypen und kleinen Produktionsserien sowie fur Serien mit der Erforderlichkeit zur mehrmaligen Umsetzung von Anderungen. Die im Handlaminierverfahren hergestellten Bauteile weisen eine formglatte und form- strukturierte bzw. faserstrukturierte Oberflache auf, die mit geringem Werkzeugauf- wand und geringen Investitionskosten realisierbar sind. Kennzeichnend ist die Er- zeugung vollflachiger und dunnwandiger Bauteile mit beliebig gewolbten und mul- denartigen Formen. Diese Werkzeugformen aus Metall, Holz oder aus Faserverbund- laminaten selbst stellen die Negativform des zu fertigenden Bauteils dar und ermogli- chen eine vielseitige Bauteilgestaltung. Bei der Herstellung erfolgt ein lagenweiser Aufbau der unterschiedlichen Schichten, die auf eine zuvor gesauberte und mit Trennmittel versehene Formseite aufgetragen werden. Das Harz wird entweder mit einem Pinsel oder einer Pistole auf das dort liegende textile Halbzeug hinzugegeben und sorgt fur die Durchtrankung. Nach jeder Lage wird mit einem Handroller oder einer Handwalze die Lage entluftet und verdichtet um Fehlstellen zu vermeiden. Zur Erzielung hoherer Festigkeiten und der Aufnahme von Kraften in definierten Richtun- gen konnen Zwischenlagen aus Gewebe oder Gelege integriert werden. Die Aushar- tung der Lagen erfolgt immer drucklos und bei Raumtemperatur oder auch bei hohe- ren Temperaturen abhangig vom Einsatzbereich und der Temperaturbelastung der fertigen Bauteile. Aufgrund derTatsache, dass es sich bei diesem Fertigungsverfah- ren um reine Handarbeit handelt, ist das Handlaminieren sehr lohnintensiv und mit langen Fertigungszeiten verbunden. Das macht eine wirtschaftliche Fertigung nur bei kleinen Stuckzahlen moglich auch aufgrund der bedingten Reproduzierbarkeit infolge handwerklicher Einflusse [ERM07, R&G99, AVK10].

2.2.2 LCM-Verfahren

Liquid Composite Moulding beschreibt eine Gruppe von Flussigimpragnierverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoff. Hierbei erfolgt die Bau- teilherstellung hauptsachlich aus einer duroplastischer Matrix unter Verwendung von trockenen textilen Faserhalbzeugen. Diese textilen Halbzeuge werden in eine Form eingelegt und mittels eines anliegenden Druckgefalles impragniert und somit Faser- volumengehalte von uber 60% erreicht [AVK10]. Dabei wird entweder anhand der Werkzeugausfuhrung zwischen ,,Open Mould“-Verfahren und ,,Closed Mould“- Verfahren sowie anhand der Art der Harzzufuhrung zwischen Harzinjektions- und Harzinfusionsverfahren unterschieden. Bei „Closed Mould“-Verfahren ist das in die Form bzw. Kavitat eingelegte und vorgeformte textile Halbzeug beidseitig von einer unteren und einer oberen Werkzeughalfte umschlossen. Das hat seine Vorteile in der Produktion von genau definierten Bauteilen mit einer beidseitig hohen Oberflachen- gute sowie engen Oberflachentoleranzen was zu einem geringeren Nachbearbei- tungsaufwand in der Prozessfolge fuhrt. Beim ,,Open Mould“-Verfahren dagegen ist das zu fertigende Bauteil einseitig vom Basiswerkzeug umgeben und die andere Sei- te wird durch eine luftdichte Membran gebildet die mit dem Basiswerkzeug verbun- den ist [KLE08]. Bei der Harzinjektion wird die Harzmatrix durch einen anliegenden Uberdruck in die Kavitat befordert, wogegen bei der Harzinfusion die Harzmatrix durch einen Unterdruck in das Werkzeug gelangt und das Verstarkungshalbzeug durchtrankt.

Das gangigste Verfahren zur Herstellung von lang- und endlosfaserverstarkter Kunststoffe ist das ,,Resin Transfer Moulding (RTM)“-Verfahren, das zur Gruppe der Harzinjektionsverfahren zahlt [AVK10]. Dazu werden wie in Abbildung 2-4 gezeigt zur Herstellung komplizierter Bauteile in einem vorangegangenen Schritt die textilen Halbzeuge zu Preforms vorgeformt. AnschlieRend werden diese Preforms faltenfrei sowie endkonturnah zu einer oder mehreren Lagen in die ebenfalls zuvor gereinigte und mit Trennmittel versehene untere Form der Vorrichtung eingelegt. AnschlieRend wird die obere Form geschlossen, so dass der eingeschlossene Hohlraum dem zu fertigenden Bauteil entspricht. Die komplette Vorrichtung wird uber Leitungen mit Be- haltern verbunden in denen das Duromer enthalten ist und in die Form befordert wird. Zeitgleich erfolgt ein Vorheizen des Werkzeuges, so dass im nachsten Schritt das Harz als Ein- oder Mehrkomponentensystem im vorgemischten Zustand in die Kavitat injiziiert werden kann. Das Harz durchstromt die Faserlagen und tritt nach dem Durchtranken an den Entluftungen aus. Dabei spielen die Wahl der Anguss- punkte und der Entluftungen eine entscheidende Rolle zur Ausbildung einer gleich- maRigen Harzfront zur Erzielung einer optimalen Prozessfuhrung ohne EinbuRen in der Bauteilqualitat. Nach dem vollstandigen Fullen der Kavitat und einer moglichen zweiten Spulphase, die der Impragnierung moglicher trockener Bereiche dient, wer­den die Entluftungen geschlossen und die Temperatur erhoht. Damit wird die Aus- hartung des Harzes in Gang gesetzt. Nachdem das Bauteil ausgehartet ist erfolgt die Abkuhlung auf Raumtemperatur und die Entnahme aus der Vorrichtung, so dass Nacharbeiten durchgefuhrt werden konnen. Diese beschranken sich aufgrund der endkonturnahen Fertigung meist nur auf Entgratevorgange. Im letzten Schritt erfolgt eine Qualitatsprufung des fertigen Bauteils [AVK10, FIE09, MEI07].

Die Vorteile des RTM-Verfahrens und allgemein der Harzinjektionsverfahren liegen in der Moglichkeit der Fertigung von komplexen Bauteilen mit hohen Oberflachenguten und engen Fertigungstoleranzen, der Automatisierbarkeit im Vergleich zum Handla- minieren sowie der hohen Reproduzierbarkeit zu geringen Stuckkosten was eine Fer­tigung von mittleren bis groRen Serien im Automobil-, Flugzeug- und Schiffbau wirt- schaftlich macht [FIE09]. Zu den Nachteilen zahlen neben den hohen Werkzeugkos- ten aufgrund ihrer komplizierten Gestaltung teilweise auch hohe Impragnierzeiten bei sehr hohen Fasergehalten und langen FlieRwegen die zu sich aufbauenden FlieRwi- derstanden fuhren konnen [AVK10].

Die Harzinfusionsverfahren dagegen erfordern einen hohen manuellen Vorberei- tungsaufwand zum Anbringen des Vakuumaufbaus was zeitintensiv ist. Alle ,,Open Mould“-Verfahren wie beispielsweise das Vacuum Assisted Process (VAP) zahlen zu den Infusionsverfahren. Der Vakuumaufbau ist in Abbildung 2-5 beispielhaft fur den VAP-Prozess dargestellt. Dieser besteht aus einer Vakuumfolie und weiteren Ferti- gungshilfsmitteln wie Absaugvliesen, AbreiRgeweben oder semipermeablen Memb- ranen, die meist nur einmal verwendbar sind und eine Entsorgung nach dem Ende des Fertigungsablaufes erfordern [AVK10]. Das eingelegte Preform wird mit dem Ab- reiRgewebe abgedeckt auf die als Trennfolie die semipermeable Membran kommt. Mit dieser nur fur Luft durchlassigen Folie konnen kleine Luftblasen auch wahrend der Infusion aus dem Harz entfernt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-5: Lagenaufbau Harzinfusionsverfahren [FIE09]

Uber die semipermeable Membran kann eine Platte aufgelegt werden, die wiederum von einem luftdurchlassigen und zweilagigen Absaugvlies umgeben ist. Um das alles herum wird die Vakuumfolie gelegt und luftdicht mit der unteren Formwerkzeughalfte verbunden. Die Harzinfusion erfolgt im Innern des Folienaufbaus und sorgt fur eine Fullung aller Zwischenraume des Preforms bis zur semipermeablen Membran. Dabei wird der Folienaufbau durch das Absaugen der Luft aus dem Innern des Aufbaus zusammen mit dem Laminat gegen die untere Form gedruckt. Darauf wirkt der Atmo- spharendruck von 1 bar. Eine Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Vakuumdruck sorgt fur den Harzfluss und die Impragnierung der Verstarkungs- struktur [LOU04]. Die anschlieRende Aushartung erfolgt abhangig vom Harz entwe- der bei Raumtemperatur oder in einem Umluftofen bei Temperaturen von 120-180 °C, so dass insgesamt kein aufwendiges Formwerkzeug benotigt wird. Vorteile sind eine hohe Festigkeit bei mittleren Investitionskosten mit der Moglichkeit der Fertigung sowohl komplexer Geometrien wie auch groRflachiger Bauteile mit geringen Stuck- zahlen [MEY08, R&G99]. Im Vergleich zu den Harzinjektionsverfahren konnen bei den Harzinfusionsverfahren enge Toleranzen nicht so leicht eingehalten werden, weil de Wandstarken beispielsweise abhangig vom Halbzeug und von den Parametern des Fertigungsprozesses sind [KLE08].

Zudem besteht die Moglichkeit eine Kombination der Harzinjektions- und der Harzin­fusionsverfahren wie beispielsweise beim Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM). Dabei konnen Serienbauteile in sehr hoher Qualitat wie beispielsweise fur den Flugzeugbau hergestellt werden [FIE09, KLE08].

2.2.3 Tapelegen/ Automatic Fiber Placement

Das Tapelegen ist ein von der Luftfahrtindustrie entwickeltes Fertigungsverfahren, bei dem unidirektionale Tapes aus Kohlenstofffasern automatisiert auf eine vorgege- bene Kontur abgelegt werden. Die Tapes liegen als Prepregs vor und werden lagen- weise auf den Bauteilkern bei Sandwichstrukturen oder ansonsten auf die Form ab­gelegt. Mit dieser Art der Ablage sind qualitativ hochwertige und hochfeste sowie leichte und groRe flachige Bauteile wie zum Beispiel das Seitenleitwerk eines Flug- zeuges realisierbar. So konnen die Anforderungen eines reduzierten Gesamtgewich- tes unter Beibehaltung bzw. Optimierung der Materialeigenschaften erfullt werden [ZEN92]. Diese ursprunglich manuell durchgefuhrte Ablage der Tapes, was mit sehr hohem Aufwand verbunden war, erfolgt heutzutage aufgrund der hoheren Wirtschaft- lichkeit mit Tapeanlagen. Tapeanlagen bestehen aus den Funktionseinheiten Ma- schine und Legekopf (Abbildung 2-6) bestehen [MEI07].

Zur Realisierung der Herstellung von Bauteilen mit gekrummten und geometrisch komplexeren Geometrien wurde das Tapelegen zum Automatic Fiber Placement (AFP) weiterentwickelt, wodurch neben dem Automatisierungsgrad auch eine Opti­mierung der Ablegeleistung erreicht werden konnte [FRA13].

Die auf Spulen kuhl vorgelagerten Prepregs werden uber ein Zufuhrsystem in den Legekopf gefuhrt, wo eine von den Fertigungsparametern abhangige Temperierung mit einer Spulenheizung erfolgt. Infolge der Temperierung konnen die Tapes an- schlieRend uber den Legekopf auf die vorgegebene Bahn abgelegt und mittels einer am Legekopf montierten Kunststoffrolle auf den Untergrund gepresst werden Dabei
entscheidet die zu fertigende Konturform uber die Breite der Tapes. So werden bei flachen Konturen breite Tapes und bei komplexeren Konturen schmalere Tapes ein- gesetzt, die aufgrund ihrer besseren Drapierbarkeit an die komplexe Formgebung angepasst werden konnen.

Daher kommen Tapes mit Breiten im Bereich von 125 bis 300 mm zum Einsatz [FRA13, ZEN92]. Einen entscheidenden Einfluss bei der Ablage spielt das Tack- Verhalten der Tapes, womit die Klebrigkeit des eingesetzten Materials und somit das Anhaftungsvermogen auf dem Untergrund. Dieses Tack-Verhalten wird beim Materi- allieferanten, der fur die Prepregherstellung verantwortlich ist, eingestellt. Eine im Legekopf integrierte Schneideinrichtung sorgt dann fur den prazisen Abschnitt der Tapes, so dass durch den Einsatz von Ultraschall-Schneidklingen nur die fur die Ab­lage erforderlichen Tapes abgeschnitten werden und das die Tapes umgebende Tragerpapier zuruckbleibt [MEI07]. Durch die mehrfache Ablage solcher Einzellagen nebeneinander und auch in unterschiedlich einstellbaren Faserorientierungen ent- steht die gewunschte Bauteildicke. Dabei kann das Werkstuck entweder ruhend oder sich bewegend abgefahren werden (Abbildung 2-7) [ZEN92].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-7: AFP-Maschine bei der Bearbeitung gekrummter Formen [HIN12]

Diese Art der Bauteilgestaltung ist sowohl mit Prepregs aus duroplastischer sowie auch aus thermoplastischer Matrix realisierbar. Der Einsatz von Thermoplast- Prepregs hat den Vorteil der kurzeren Taktzeiten, jedoch ist hinsichtlich der hohen Viskositat der Matrix ein dementsprechender Temperatureintrag am Ablagepunkt zum Aufschmelzen erforderlich. Dieses Aufschmelzen erfolgt hauptsachlich mit La- sern, die wiederum aufgrund der hohen benotigten Strahlungsleistung hohen Schutzeinrichtungen und Sicherheitsvorkehrungen unterliegen [FRA13]. Neben den fertigungstechnischen Zielen wie zum Beispiel einem groRen Massendurchsatz bzw. Legeleistung bei einem effizienten Materialverbrauch mit wenig Abfall und moglichst kurzen Zykluszeiten steht die Qualitat des gefertigten Bauteils im Vordergrund und erfordert insbesondere in der Luftfahrtindustrie umfangreiche Qualitatssicherungs- maRnahmen. Ein Nachteil dieses Fertigungsverfahrens liegt in den hohen Anschaf- fungskosten derAnlagen [ZEN92].

2.2.4 Autoklavtechnik

Bei einem Autoklaven handelt es sich um einen gasdicht verschlieRbaren Druckbe- halter, in dem zuvor impragnierte Laminatschichten mit duromerer Matrix unter kon- trollierten Temperatur- und Druckverhaltnissen miteinander verpresst und ausgehar- tet werden [MEI07]. Autoklaven ermoglichen mit Durchmessern von bis zu 6,5 m und Langen von bis zu 40 m die Fertigung groRer Bauteile mit hochwertiger Qualitat fur Anwendungen insbesondere in der Luft- und Raumfahrt oder auch im Rennsport. Dieses Fertigungsverfahren zahlt zu einem der teuersten und aufwandigsten im Ver- gleich zu anderen. Hauptsachlich erfolgt der Einsatz von Prepregs aus denen sich infolge der Aushartung mechanisch und thermisch hochbelastete Bauteile mit sowohl flachigen als auch sehr komplexen Geometrien herstellen lassen [R&G99].

Zur Erzielung einer hohen Bauteilgute ist ein komplexer Lagenaufbau, der dem aus dem zuvor beschriebenem Lagenaufbau beim Harzinfusionsverfahren entspricht, erforderlich und zieht daher eine aufwendige Arbeitsvorbereitung nach sich was zu- sammen mit den meist langen Aushartezyklen von bis zu 7 h zu insgesamt langen Taktzeiten fuhrt. Mit einstellbaren Drucken von uber 6 bar und Temperaturen bis zu 180 °C und mehr ist zur Erzielung der geforderten Bauteilqualitat eine prazise Steue- rung von Druck und Temperatur von groRter Bedeutung [FIE09]. Damit lassen sich nicht nur hochfeste Bauteile herstellen, sondern es konnen in vorangegangenen Fer­tigungsverfahren entstandene Fertigungsfehler minimiert bzw. behoben werden.

Das Absaugvlies oder auch Bleeder genannt dient dabei der Aufnahme von uber- schussigem Harz und lasst somit eine kontrollierbare Einstellung des Faservolumen- gehaltes zu. Nach erfolgter Aushartung infolge der chemischen Vernetzungsreaktion erfolgt die kontinuierliche Abkuhlung des Bauteils, dessen AuRenkontur durch das in die Form eingelegte Verarbeitungsmaterial gebildet wird [FIE09].

Hinsichtlich der Werkzeugausfuhrung werden meist Werkzeugformen aus CFK ver- wendet, da bei der Fertigung von CFK-Bauteilen aufgrund des gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Werkstuck und Werkzeug ein sehr geringer Verzug im Bauteile erzielt werden kann [R&G99]. Aufgrund des ahnlichen Lagenaufbaus beim Autoklavverfahren und beim Harzinfusionsverfahren existieren kombinierte Ver- fahren wie beispielsweise das Resin Film Infusion(RFI). Bei diesem verfahren wird anstatt eines niedrigviskosen Harzsystems ein folienartiger, fester Harzfilm beste- hend aus einem abgeleiteten Prepregsystem im Autoklaven unter Druck und Tempe- ratur verflussigt und sorgt fur die Durchtrankung der Verstarkungsfasern (Abbildung 2-8) [KLE08].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-8: Fertigungsfolge beim Resin Film Infusion [HUB10]

2.2.5 Pultrusion

Die Pultrusion zahlt ebenfalls zu den altesten Verfahren zur Herstellung langfaser- verstarkter Verbundwerkstoffe, bei der hauptsachlich Profile wie zum Beispiel T- Profile produziert werden konnen. Die auf Rollen oder Spulen aufgewickelten Ver- starkungselemente werden uber ein Abzugssystem dem Werkzeug zugefuhrt, wo eine Verarbeitung entweder zu unidirektionalen Verbundwerkstoffen erfolgt oder aber auch zuvor vorbereitete Preforms in Form von Multiaxialgelegen verarbeitet werden konnen. Die Zusammenfuhrung der Verstarkungselemente mit der Matrix kann ent­weder vor dem Werkzeug in einem Trankbad oder im Werkzeug selbst stattfinden, wo den Verstarkungselementen infolge einer Komprimierung die Form des herzustel- lenden Profils gegeben wird. Auch die Aushartung der duromeren oder auch thermo- plastischen Matrix wird im Werkzeug selbst vorgenommen bei der eine Warmezufuhr mittels einer elektrischen Heizung fur die Vernetzung sorgt. Dabei soil das in die Mat­rix eingebrachte Trennmittel fur eine Reduktion bei der Entstehung hoher Reibungs- krafte an den Werkzeugwanden sorgen. Bei einer Impragnierung in einem Trankbad ist im Einzugsbereich des Werkzeuges ein Kuhlbereich vorgelagert, um eine zu fruhe Reaktion der Matrix zu vermeiden. Die Vorteile einer automatisierten Herstellung qualitativ hochwertiger Profile in groRen Mengen und einer wirtschaftliche Fertigung werden bei der Umstellung auf neue Geometrien von aufwendigen und zeitintensiven MaRnahmen bis zur Erreichung der geforderten Qualitat und der bisher vorzugswei- se auf den Flugzeugbau beschrankten hohen Fertigungsrate weniger Bauelemente begleitet. Weitere Anwendungen liegen beispielsweise im Bereich der Sportartikel oder der Medizin- und Satellitentechnik, wobei eine Erweiterung des Verfahrens zur Herstellung gekrummter Profile mit veranderlichem Querschnitt neue Anwendungs- bereiche zuganglich macht [AVK10, KLE08].

2.2.6 Wickeltechnik

Zur Herstellung von Formteilen wie zum Beispiel Behaltern oder Rohren fur den Transport flussiger und gasformiger Stoffe aber auch fur komplizierte nicht rotations- symmetrischer Bauteile kann das Wickelverfahren zum Einsatz kommen. Dabei wird zwischen Nass-, Trocken- und Prepregwickeln unterschieden [AVK10, ZEN92]. Die Bauteilgeometrie wird von einem Positivkern vorgegeben, auf dem die auf Vorrats- spulen aufgewickelten Verstarkungsfaden infolge einer Relativbewegung zwischen einem Fadenauge und dem Bauteilkern lagenweise aufgewickelt werden. Dabei kann der Bauteilkern fest und das Fadenauge drehend oder der Bauteilkern drehend und das Fadenauge translatorisch verfahren sein. Die eingesetzten Wickelkerne verblei- ben entweder im fertigen Bauteil als sogenannte verlorene Kerne und erfullen Zu- satzfunktionen wie zum Beispiel eine Medienbestandigkeit oder sie werden entweder ausgeschmolzen bei kleinen Durchmessern und einer geringen Stuckzahl oder bei groRen Durchmessern zerlegt. Das Ringfadenauge erlaubt dabei die gleichzeitige Ablage einer groReren Anzahl an Rovings [AVK10]. Die exakte und rutschfeste Abla- ge der Verstarkungsfaden erfolgt in einer bestimmten Anordnung durch die Auswahl des Wickelmusters (Abbildung 2-9) sowie durch die Vorgabe eines Startpunktes und eines Ablagewinkels. Vor dem Aufwickeln durchlaufen die Verstarkungsfaden zur

Impragnierung eine Trankeinrichtung, so dass die Fadenspannung immer konstant gehalten werden sollte. Diese Fadenspannung hat einen direkten Einfluss auf den Faservolumengehalt des fertigen Bauteils, welcher bei bis zu 80% liegen kann. Die Abzugsgeschwindigkeiten richten sich nach der eingesetzten Wickeltechnik, so dass beim Prepregwickeln hohere Geschwindigkeiten aufgrund der starkeren Haftung der Matrix auf den Fasern realisierbar sind. Andernfalls kann es bei zu hohen Geschwin­digkeiten zu einem Ausschleudern des Harzes oder zu einer schlechten Faserdurch- trankung infolge einer kurzeren Verweilzeit in der Trankeinrichtung kommen [ZEN92].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Umfangswickeln Kreuzwickeln

Abbildung 2-9: Verfahrensaufbau beim Nasswickeln [HUB10]

Mit der Komplexitat der Bauteilgeometrie steigt die Anzahl der benotigten Freiheits- grade der Wickelmaschine die bei einfachen Geometrien auf zwei Achsen verfahren kann. Das Wickeln ist sowohl mit duromeren als auch mit thermoplastischen Mat- rixsystemen durchfuhrbar, wobei beim Einsatz thermoplastischer Matrixsysteme eine zusatzliche Vorrichtung in Form einer Heizquelle zum Aufschmelzen der Matrix und eine zum Abkuhlen schon wahrend der Kompaktierung bzw. Konsolidierung notwen- dig sind. Das thermoplastische Halbzeug und die auf dem Kern bereits abgelegten Lagen werden am Ablagepunkt aufgeschmolzen und so miteinander gefugt, dass ein gleichmaRige Verankerung der Fasern in der Matrix stattfindet ohne dass dabei qua­litative EinbuRen wie beispielsweise Lufteinschlusse entstehen. Andruckrollen unter- stutzen dabei die Konsolidierung. Als Aufheizmethoden kommen meist beruhrungs- lose Heizquellen wie Laser oder auch Infrarotstrahlung zum Einsatz, da das gute Ab- sorptionsvermogen von Kohlenstofffasern in einem bestimmten Wellenlangenbereich der Strahlungen eine gute Erwarmung moglich macht. Den Vorteilen verkurzter Ver- arbeitungszeiten aufgrund nicht benotigter Ausharteprozesse, verbesserten mecha- nischen Eigenschaften und einer Umweltvertraglichkeit stehen die Nachteile der ho- heren erforderlichen Verarbeitungstemperaturen aufgrund der hohen Viskositat der thermoplastischen Matrix und somit einer aufwendigeren Prozessfuhrung gegenuber [AVK10].

Eine hohe Genauigkeit sowie Produktivitat aufgrund der Automatisierbarkeit des Wi- ckelverfahrens machen dieses sehr wirtschaftlich zur Herstellung von Bauteilen mit den jeweiligen Anforderungen entsprechenden Eigenschaften [R&G99]. Eine Online- Qualitatssicherung und Prozessdokumentation mit Informationen zu wichtigen Para- meterkennwerten wie zum Bespiel der Harztemperatur, der Faserspannung oder auch der Fadenabzugsgeschwindigkeit ermoglichen es zeitnah bei auftretenden Pro- zessstorungen einwirkend in den Prozess eingreifen zu konnen .

2.3 Prufmethoden

Zur Auswertung von Faserverbundbauteilen hinsichtlich vorhandener Defekte wie z.B. Poren gibt es die Moglichkeit der zerstorenden und die Moglichkeit der nicht zer­storenden Prufung. Mittels zerstorender Prufverfahren ist eine quantitative Bestim- mung des Porengehaltes erreichbar. Zu den zerstorenden Verfahren zahlen das Auswerten von Schliffbildern und das Dichteverfahren. Bei Schliffbildern wird die Po- renflache ins Verhaltnis zur Gesamtflache gesetzt, indem eine optische Auswertung erfolgt. Dabei wird angenommen, dass eine homogene Porenverteilung mit einer gewissen Porentiefe vorliegt. Beim Dichteverfahren wird wie der Name es schon sagt die Dichte der zu untersuchenden Probe und seiner Komponenten bestimmt. Dabei kann entweder eine Trennung von Matrix und Fasern durch Pyrolyse erfolgen oder Wasser bzw. geschmolzener Schwefel kann zur Fullung der Poren eingesetzt wer- den. Anhand des Schwefels sind Mikroporen gut erkennbar [GEH11].

[...]

Ende der Leseprobe aus 133 Seiten

Details

Titel
Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette
Hochschule
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover  (Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW))
Note
1,7
Autor
Jahr
2014
Seiten
133
Katalognummer
V280111
ISBN (eBook)
9783656732303
ISBN (Buch)
9783656732297
Dateigröße
3489 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
auswahl, charakterisierung, schnittstelle, wechselwirkung, cfk-prozesskette
Arbeit zitieren
Labinot Jashari (Autor:in), 2014, Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/280111

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