Beitrag zur Entwicklung neuartiger Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten

Contibution to the development of novel processing routines for the production of continuous fibre reinforced thermoplastic composites

  • Im Rahmen dieser wurden neuartige Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten untersucht. Prozesskombinationen aus Faserbündelimprägnierung und Wickeltechnik wurden in der Vergangenheit weitestgehend vernachlässigt, aufgrund der technisch schon sehr anspruchsvollen Imprägnierung einer großen Anzahl von Fasern mit einer hochviskosen Thermoplastschmelze. In jüngerer Vergangenheit wurde jedoch eine neue Technologie entwickelt, die sogenannte Imprägnierrad-Technologie, die eine hochwertige Schmelzeimprägnierung von Faserrovings ermöglicht. Aufgrund der beachtlichen Imprägniergeschwindigkeit und der spezifischen Charakteristika des Prozesses, bot sich die Technologie für eine Prozesskombination mit der Wickeltechnik an. Nach Auslegung und Umsetzung des Entwurfs der Anlagentechnik, wurden umfassende Parameterstudien durchgeführt. Glasfaserverstärkte Polypropylen- und Polyamid 12-Rohrabschnitte wurden mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/min hergestellt. Die gegenwärtige Begrenzung der Prozessgeschwindigkeit ist nicht durch die Imprägniergüte bedingt, sondern durch den übermäßigen Anstieg der Kräfte, die benötigt werden, um das Faserbündel von den Imprägnierwerkzeugen abzuziehen. Anlagentechnische Maßnahmen zur Entschärfung dieser Problematik und zur allgemeinen Verbesserung, sowie der damit verbundenen Steigerung der Produktivität wurden vorgeschlagen. Die Wirtschaftlichkeit der Prozesskombination wurde auf Basis einer Kostenvergleichsrechnung bewertet. Die einzigartige Möglichkeit mit einer Prozesskombination den Faservolumengehalt in radialer Richtung in einem Bauteil zu variieren wurde gezeigt. Rollformen als Verfahren zur Herstellung von Profilen mit einer großen Vielfalt von Querschnittsgeometrien aus Metallblechen hat aufgrund seiner hohen Produktivität weite Verbreitung in einer Vielzahl von Industriezweigen gefunden. Durch die Adaption dieses Verfahrens zur Verarbeitung von kontinuierlich verstärkten, thermoplastischen Faserkunststoffverbunden können lange Komponenten, die all die Vorteile dieser Materialien besitzen, auf eine effiziente Art und Weise gefertigt werden. Gewebeverstärkte GF/PP- und GF/PA66-Plattenhalbzeuge wurden erfolgreich zu Hutprofilen umgeformt, mit Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min. Die Fähigkeit teilkristalline Thermoplaste im Zustand einer unterkühlten Schmelze bei Tem-peraturen unter der Schmelztemperatur umzuformen wurde im Prozess gezielt ausgenutzt. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Werkzeugdesign gewidmet, um dem Umformverhalten kontinuierlich verstärkter Thermoplaste Rechnung zu tragen. Die Qualität der Profile wurde maßgeblich von der Zustelltemperatur der Halbzeuge in den ersten Rollenstand sowie der Austrittstemperatur aus dem Prozess beeinflusst. Das Temperaturprofil des Materials während der Verarbeitung und das Prozesslayout müssen als Funktion von Verarbeitungsgeschwindigkeit und Materialeigenschaften aufeinander abgestimmt werden, um Profile hoher Qualität herzustellen. Die Komplexität und die Schwierigkeiten eines theoretischen Ansatzes zur Beschreibung des Prozesses wurden angesprochen, aber auch auf die Notwendigkeit eines solchen zur Weiterentwicklung des Verfahrens wurde hingewiesen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein einfaches FE-Modell zur Simulation des Stempelumformens eines Organoblechs zu einem Hutprofil entwickelt. Trotz des unterschiedlichen Formgebungsprozesses konnten einige allgemeine Erkenntnisse gewonnen werden, die auch für den Rollformprozess von Bedeutung sind. Einige anlagentechnische Maßnahmen zur Steigerung der Produktqualität im Rah-men zukünftiger Arbeiten wurden vorgeschlagen.
  • In the scope of this work, studies on novel processing routines for continuous fibre reinforced thermoplastic composites were conducted, in order to contribute to the further development of this fairly new class of materials. Process combinations of filament winding with online-impregnation of fibre bundles have previously been widely neglected, due to the technical difficulties of impregnating a large number of slender filaments with a highly viscous thermoplastic melt. Recently a new melt impregnation technology, called impregnation wheel, has been developed which allows to produce high quality impregnated tapes or tows at considerable speeds. Due to the specific characteristics of the technology it offered itself to be adopted for a process combination with filament winding. After the conception and design of the process technology, a comprehensive study of process parameters was conducted. Circular glass fibre reinforced PP and PA12 tubes were produced as a sample component with processing speeds of up to 15 m/min. The present limitation in winding speed is not attributed to impregnation problems but to an excessive rise in force required to pull the fibre tow off the impregnation device. Measures for proc-ess improvement and increase in productivity were proposed. The operating profit-ability of the novel was assessed by a rough cost comparison calculation. Besides, the unique possibility to alternate the fibre volume content within a component was demonstrated. Roll forming as a production route to produce a large variety of profiles from sheet metal has found widespread use in many industries due to its high productivity. By adopting this technology to be used with thermoplastic matrix composites, long components which possess all the performance advantages inherent to these materials can be formed in an efficient manner. Textile reinforced composite sheet materials, GF/PP and GF/PA66, were successfully formed into top-hat sections with process speeds of up to 10 m/min. The ability of crystalline thermoplastics to be formed below melting temperature upon cooling from the melt was exploited. Special attention has been given to the tool design with respect to the forming behaviour of continuous fibre reinforced composites. Quality of the profiles was primarily affected by the inlet temperature of the sheet into the first roll station and the exit temperature from the last one. The temperature profile and the process layout had to be modulated to each other as a function of process speed and material properties in order to produce pro-files of high quality. The complexity but also the future necessity of a theoretical approach to press ahead with the roll forming of continuous fibre reinforced thermoplas-tic composites is pointed out to. Here, only a simplified FE-model to simulate stamp forming of a laminate into a top-hat section was developed. In spite of the differences in the shaping processes, some general results were achieved which are also mean-ingful for roll forming of continuous fibre reinforced thermoplastic sheet materials. Both processes have a large potential for further development, and a number of indi-cations for enhancement of the technology were given.

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Frank Herbert Henninger
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-19451
Advisor:Klaus Friedrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/05/11
Tag:Fertigungsverfahren
GND-Keyword:Faserverbundwerkstoff ; Glasfaserverstärkter Thermoplast; Imprägnierung ; Kunststoff / Verbundwerkstoff
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $