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Partielles Thermoformen endlosfaserverstärkter Thermoplaste

  • Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte eine Prozesstechnologie entwickelt werden, die das Einsatzgebiet von endlosfaserverstärkten Thermoplasten (Organoblechen) auf den Bereich von schnellbewegten Getriebebauteilen im Maschinenbau erweitert. Zum Thermoformen von kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten wurde erstmals die induktive Erwärmung als Heizquelle eingesetzt. Dies ermöglicht die Erwärmung des untersuchten Halbzeuges (CF/PA66) an zwei lokal begrenzten Bereichen in weniger als 30 Sekunden auf Umformtemperatur. Dieser lokale Energieeintrag bietet die Grundlage für den anschließenden partiellen Thermoformprozess, mit dem Ziel der gleichzeitigen Umformung mehrerer Formnester auf einem Halbzeug. Durch Koppelung dieses Verfahren mit einem Werkzeugkonzept zur dickenadaptiven Umformung war eine Erhöhung der Halbzeugdicke in definierten Bereichen um bis zu 200 % möglich. In Organobleche mit einer Dicke von 2 mm wurden Lagersitze mit einer Lagersitzbreite von 6 mm eingeformt, ohne dass Material von außen nachgeführt oder extern dem Prozess zugeführt werden musste. Auch ein Verfahren zum Ausformen von Lagersitzen und dem gleichzeitigen Fügen metallischer Lager wurde realisiert und ein Modell von geometrisch möglichen Lagersitzdimensionen in Abhängigkeit der Organoblechdicke erstellt. Die Kombination aus Prozess Neu- und Weiterentwicklungen führt zu einer Prozesskettenverkürzung mit einer daraus resultierenden Prozesszeiteinsparung von bis zu 37 % gegenüber dem partiellen Thermoformen, was entscheidend zur Kostensenkung bei der Herstellung beiträgt. Die Prozesskette wurde an einem Demonstratorbauteil, einem schnellbewegten Hebel (Fadenhebel) einer Industrienähmaschine, exemplarisch abgebildet. Dieser Fadenhebel besitzt zwei metallische Rillenkugellager, die in einem Schritt in ein zuvor ebenes Halbzeug eingeformt und gefügt wurden. Bei der Bauteilprüfung zeigte sich neben einer Netto-Gewichtsreduzierung von 50 % gegenüber der bestehenden Aluminiumvariante eine Reduzierung der Schallemission um bis zu 1 dB(A). Dies ist auf das hohe Dämpfungsvermögen des thermoplastischen Ausgangsmaterials zurückzuführen, und unterstreicht das große Potenzial dieser Werkstoffklasse in dynamisch belasteten Bauteilen.
  • Within this thesis, a process technology has been developed that can enhance the field of application of continuous fibre reinforced thermoplastic polymer in the domain of fast-moving transmission components for mechanical engineering. For the first time ever, inductive heating was deployed as the source of heat to thermoform carbon fibre reinforced thermoplastics. Hereby, the semi-finished product (CF-PA66) under examination was heated to deformation at two locally limited areas within less than 30 seconds. This local application of energy represents the foundation for the subsequent partial thermoform process, the aim of which is the simultaneous thermoforming of multiple mould cavities on a semi-finished product. This procedure was coupled with the development of an idea for a tool for thermoforming with in-situ thickness variation, which enables an increase in the thickness of the semi-finished product of up to 200% in the defined area. Within this thesis, bearing carriers with a width of 6mm have been moulded into organic sheets with a thickness of 2mm without either adding material from an external source or externally introducing material to the process. In addition, a procedure to thermoform bearing carriers and simultaneously join metallic bearings has been developed. Furthermore, a model that defines geometrically-possible bearing dimensions in relation to the thickness of organic sheets has been set up. The combination of redevelopment and enhancement of this process leads to a reduction in the process chain and therefore to a saving of time that results in a decrease in manufacturing costs. The process chain was exemplarily mapped to a demonstrator component, a fastmoving take-up lever of an industrial sewing-machine. This thread take-up lever possesses two metallic grooved ball bearings that were moulded and joined simultaneously to a previously planed semi-finished product. The component testing resulted both in a net decrease in weight of 50 % compared to the existing aluminium alternative and a reduction of the acoustic emission of up to 1 dB(A). This can be ascribed to the high absorbability of the thermoplastic source material and demonstrates the huge potential of the carbon fibre reinforced thermoplastics in dynamically loaded components.

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Metadaten
Author:Robert Lahr
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-46352
ISBN:978-3-934930-69-8
Serie (Series number):IVW-Schriftenreihe (73)
Publisher:Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Place of publication:Kaiserslautern
Advisor:Peter Mitschang
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2017/05/04
Date of first Publication:2007/07/24
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2007/07/24
Date of the Publication (Server):2017/05/09
Tag:Organoblech; Thermoformen
reinforced thermoplastics
GND-Keyword:Thermoformen
Number of page:X,125
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)