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

AutorLabinot Jashari
Verlagdisserta Verlag
Erscheinungsjahr2015
Seitenanzahl135 Seiten
ISBN9783959350099
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis29,99 EUR
Moderne Flugzeuge lassen hinsichtlich der beabsichtigten Leichtbauweisen einen vermehrten Einsatz an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) mit zukünftigen Gewichtsanteilen von über 60% erkennen. Die Wirtschaftlichkeit dieses leichten Werkstoffes trägt zur Senkung des Treibstoffverbrauchs und den damit einhergehenden Kosten bei. Der dadurch geringere CO2-Ausstoß wirkt sich auch positiv auf den Umweltschutz aus. Anhand einer vorgegebenen Prozesskette des Forschungsprojektes HP CFK zur Herstellung eines Demonstrators als ein Teilausschnitt eines Flugzeugrumpfes aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) erfolgt durch eine Beschreibung dieser Prozesskette eine Identifikation möglicher vorhandener Wechselwirkungen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Beitrag zur Charakterisierung von diesen prozessübergreifenden Wechselwirkungen vorgestellt, die durch eine Berücksichtigung eines Qualitätskriteriums vorgenommen wird.

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Leseprobe
Textprobe: Kapitel 2.2, Fertigungsverfahren: Bei der Herstellung von CFK-Bauteilen bzw. Faserverbundwerkstoffen allgemein richtet sich das einzusetzende Fertigungsverfahren einerseits nach quantitativen Gesichtspunkten wie der Stückzahl des herzustellenden Bauteils und andererseits nach qualitativen Gesichtspunkten. Darunter zählen die Größe, die Oberflächenbeschaffenheit, die Transparenz und ganz wichtig nach dem Anforderungsprofil der mechanischen Eigenschaften und dem vorhandenem Matrixmaterial das beabsichtigte Einsatzgebiet des fertigen Endproduktes [R&G99]. Hier werden einige gängige Fertigungsverfahren für die Herstellung von Faserverbundbauteilen vorgestellt. 2.2.1, Handlaminieren: Das Handlaminieren zählt zu den ältesten, einfachsten und am weitesten verbreiteten Verfahren zur Herstellung von Prototypen und kleinen Produktionsserien sowie für Serien mit der Erforderlichkeit zur mehrmaligen Umsetzung von Änderungen. Die im Handlaminierverfahren hergestellten Bauteile weisen eine formglatte und formstrukturierte bzw. faserstrukturierte Oberfläche auf, die mit geringem Werkzeugaufwand und geringen Investitionskosten realisierbar sind. Kennzeichnend ist die Erzeugung vollflächiger und dünnwandiger Bauteile mit beliebig gewölbten und muldenartigen Formen. Diese Werkzeugformen aus Metall, Holz oder aus Faserverbundlaminaten selbst stellen die Negativform des zu fertigenden Bauteils dar und ermöglichen eine vielseitige Bauteilgestaltung. Bei der Herstellung erfolgt ein lagenweiser Aufbau der unterschiedlichen Schichten, die auf eine zuvor gesäuberte 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 für die Durchtränkung. Nach jeder Lage wird mit einem Handroller oder einer Handwalze die Lage entlüftet und verdichtet um Fehlstellen zu vermeiden. Zur Erzielung höherer Festigkeiten und der Aufnahme von Kräften in definierten Richtungen können Zwischenlagen aus Gewebe oder Gelege integriert werden. Die Aushärtung der Lagen erfolgt immer drucklos und bei Raumtemperatur oder auch bei höheren Temperaturen abhängig vom Einsatzbereich und der Temperaturbelastung der fertigen Bauteile. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei diesem Fertigungsverfahren um reine Handarbeit handelt, ist das Handlaminieren sehr lohnintensiv und mit langen Fertigungszeiten verbunden. Das macht eine wirtschaftliche Fertigung nur bei kleinen Stückzahlen möglich auch aufgrund der bedingten Reproduzierbarkeit infolge handwerklicher Einflüsse [ERM07, R&G99, AVK10]. 2.2.2, LCM-Verfahren: Liquid Composite Moulding beschreibt eine Gruppe von Flüssigimprägnierverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoff. Hierbei erfolgt die Bauteilherstellung hauptsächlich aus einer duroplastischer Matrix unter Verwendung von trockenen textilen Faserhalbzeugen. Diese textilen Halbzeuge werden in eine Form eingelegt und mittels eines anliegenden Druckgefälles imprägniert und somit Faservolumengehalte von über 60% erreicht [AVK10]. Dabei wird entweder anhand der Werkzeugausführung zwischen 'Open Mould'-Verfahren und 'Closed Mould'-Verfahren sowie anhand der Art der Harzzuführung zwischen Harzinjektions- und Harzinfusionsverfahren unterschieden. Bei 'Closed Mould'-Verfahren ist das in die Form bzw. Kavität eingelegte und vorgeformte textile Halbzeug beidseitig von einer unteren und einer oberen Werkzeughälfte umschlossen. Das hat seine Vorteile in der Produktion von genau definierten Bauteilen mit einer beidseitig hohen Oberflächengüte sowie engen Oberflächentoleranzen was zu einem geringeren Nachbearbeitungsaufwand in der Prozessfolge führt. Beim 'Open Mould'-Verfahren dagegen ist das zu fertigende Bauteil einseitig vom Basiswerkzeug umgeben und die andere Seite wird durch eine luftdichte Membran gebildet die mit dem Basiswerkzeug verbunden ist [KLE08]. Bei der Harzinjektion wird die Harzmatrix durch einen anliegenden Überdruck in die Kavität befördert, wogegen bei der Harzinfusion die Harzmatrix durch einen Unterdruck in das Werkzeug gelangt und das Verstärkungshalbzeug durchtränkt. Das gängigste Verfahren zur Herstellung von lang- und endlosfaserverstärkter Kunststoffe ist das 'Resin Transfer Moulding (RTM)'-Verfahren, das zur Gruppe der Harzinjektionsverfahren zählt [AVK10]. Dazu werden wie in Abbildung 2-4 gezeigt zur Herstellung komplizierter Bauteile in einem vorangegangenen Schritt die textilen Halbzeuge zu Preforms vorgeformt. Anschließend 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. Anschließend wird die obere Form geschlossen, so dass der eingeschlossene Hohlraum dem zu fertigenden Bauteil entspricht. Die komplette Vorrichtung wird über Leitungen mit Behältern verbunden in denen das Duromer enthalten ist und in die Form befördert wird. Zeitgleich erfolgt ein Vorheizen des Werkzeuges, so dass im nächsten Schritt das Harz als Ein- oder Mehrkomponentensystem im vorgemischten Zustand in die Kavität injiziert werden kann. Das Harz durchströmt die Faserlagen und tritt nach dem Durchtränken an den Entlüftungen aus. Dabei spielen die Wahl der Angusspunkte und der Entlüftungen eine entscheidende Rolle zur Ausbildung einer gleichmäßigen Harzfront zur Erzielung einer optimalen Prozessführung ohne Einbußen in der Bauteilqualität. Nach dem vollständigen Füllen der Kavität und einer möglichen zweiten Spülphase, die der Imprägnierung möglicher trockener Bereiche dient, werden die Entlüftungen geschlossen und die Temperatur erhöht. Damit wird die Aushärtung des Harzes in Gang gesetzt. Nachdem das Bauteil ausgehärtet ist erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur und die Entnahme aus der Vorrichtung, so dass Nacharbeiten durchgeführt werden können. Diese beschränken sich aufgrund der endkonturnahen Fertigung meist nur auf Entgratevorgänge. Im letzten Schritt erfolgt eine Qualitätsprüfung des fertigen Bauteils [AVK10, FIE09, MEI07]. Die Vorteile des RTM-Verfahrens und allgemein der Harzinjektionsverfahren liegen in der Möglichkeit der Fertigung von komplexen Bauteilen mit hohen Oberflächengüten und engen Fertigungstoleranzen, der Automatisierbarkeit im Vergleich zum Handlaminieren sowie der hohen Reproduzierbarkeit zu geringen Stückkosten was eine Fertigung von mittleren bis großen Serien im Automobil-, Flugzeug- und Schiffbau wirtschaftlich macht [FIE09]. Zu den Nachteilen zählen neben den hohen Werkzeugkosten aufgrund ihrer komplizierten Gestaltung teilweise auch hohe Imprägnierzeiten bei sehr hohen Fasergehalten und langen Fließwegen die zu sich aufbauenden Fließwiderständen führen können [AVK10]. Die Harzinfusionsverfahren dagegen erfordern einen hohen manuellen Vorbereitungsaufwand zum Anbringen des Vakuumaufbaus was zeitintensiv ist. Alle 'Open Mould'-Verfahren wie beispielsweise das Vacuum Assisted Process (VAP) zählen zu den Infusionsverfahren. Der Vakuumaufbau ist in Abbildung 2-5 beispielhaft für den VAP-Prozess dargestellt. Dieser besteht aus einer Vakuumfolie und weiteren Fertigungshilfsmitteln wie Absaugvliesen, Abreißgeweben oder semipermeablen Membranen, die meist nur einmal verwendbar sind und eine Entsorgung nach dem Ende des Fertigungsablaufes erfordern [AVK10]. Das eingelegte Preform wird mit dem Abreißgewebe abgedeckt auf die als Trennfolie die semipermeable Membran kommt. Mit dieser nur für Luft durchlässigen Folie können kleine Luftblasen auch während der Infusion aus dem Harz entfernt werden.
Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung
1
Inhaltsverzeichnis3
Abbildungsverzeichnis5
Tabellenverzeichnis8
Abkürzungsverzeichnis9
1 Einleitung11
2 Stand der Technik12
2.1 Faserverbundkunststoffe12
2.2 Fertigungsverfahren23
2.3 Prüfmethoden34
2.4 Technologische Schnittstellen und Wechselwirkungen36
3 Identifizierung von möglichen Wechselwirkungen38
3.1 Prozesskette des Forschungsprojektes HP CFK38
3.2 Identifizierung möglicher Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette41
3.3 Auswahl der zu untersuchenden Wechselwirkung52
4 Theoretische Analyse der Wechselwirkung Infusion/ Autoklav
61
4.1 Poren in CFK-Bauteilen61
4.2 Einfluss des Infusionsprozesses auf Poren63
4.3 Einfluss des Autoklaven auf Poren75
5 Experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung89
5.1 Versuchsaufbau89
5.2 Versuchsdurchführung95
5.3 Versuchsauswertung102
6 Abgleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen
119
6.1 Vergleich der Ergebnisse zu den Einflussgrößen Harzgeschwindigkeit/Infusionstemperatur119
6.2 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Prozessdruck120
6.3 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Fadenorientierung120
6.4 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Vakuumdruck nach der Infusion
121
6.5 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Luftfeuchtigkeit122
6.6 Vergleich der Ergebnisse Umgebungsdruck beim Aushärten123
6.7 Zusammenfassung124
7 Zusammenfassung und Ausblick126
8 Literaturverzeichnis128

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