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Aufgrund des spezifischen Eigenschaftsprofils weisen Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) wesentliche
komparative technische Vorteile gegenüber den Konkurrenzwerkstoffen in einer Reihe
von industriellen Anwendungsfeldern auf. Trotz des daraus resultierenden Marktpotenzials
konnten sich die FKV noch nicht in dem erwarteten Maße durchsetzten. Ursache hierfür ist die
im Allgemeinen zwischen FKV und traditionellen Materialien bestehende signifikante "Wirtschaftlichkeitslücke".
Um eine Lösung dieses Problems voranzutreiben, wurden neue Ansätze bei der Entwicklung
innovativer FKV-Anwendungen erforderlich. Optimierungspotenziale sind möglichst früh im
Entwicklungsprozess zu identifizieren und konsequent zu erschließen. Hierzu wird ein geeignetes
Analyse- und Planungsinstrument benötigt. Die bisher zur Verfügung stehenden Methoden
der Wirtschaftlichkeitsanalyse auf Basis von Herstellkosten erweisen sich als unzureichend, da
innovative FKV-Anwendungen, die hohe Herstellkosten bedingen, aber gleichzeitig im Betrieb
Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Alternativprodukten aufweisen, benachteiligt werden.
Deshalb wurde ein neuartiges, werkstoffgerechtes Instrument der Wirtschaftlichkeitsanalyse
für FKV entwickelt, welches sich auf die Methode der Lebenszykluskostenrechnung stützt.
Das neuartige Instrument wurde auf verschiedene Fallstudien aus den Bereichen Verkehrstechnik,
Anlagenbau, Bauwesen und Offshore-Industrie angewendet. Dies diente der Modellvalidierung,
dem Aufzeigen von Anwendungsoptionen der Methodik bzw. des Modells im Rahmen
von konkreten FKV-Entwicklungsaufgaben sowie der Bereitstellung einer Grundlage für die
abschließende Ableitung einer wirtschaftlichkeits- und damit zukunftsorientierten Entwicklungsstrategie
für FKV.
Within Fibre Reinforced Plastics (FRP) manufacturing technologies, Liquid Composite
Moulding (LCM) describes a group of cost efficient processes that provide an outstanding
variety of possibilities for the manufacture of parts of virtually any size and
complexity. In addition to the classic pressure supported Resin Transfer Moulding
(RTM) process, techniques such as the VARTM (Vacuum Assisted RTM), the ARTM
(Advanced RTM) and the SCRIMP® (Seeman Composite Resin Infusion Molding Process)
are well established. Each of the different techniques utilizes the same method – a
thermoset resin is injected into a mould containing the reinforcement. The impregnation
of the reinforcing structure by a resin in a closed mould permits the combination of a
wide range of matrix systems and reinforcing materials. With the gelation and curing of
the resin after the completed injection, the finished part is ready to be demoulded.
The overall process is influenced by many parameters including:
• the reinforcing structure,
• the viscosity and curing properties of the thermoset resin,
• the position of inlet and outlet,
• the pressure distribution throughout the mould and
• the geometry and size of the part.
Though the process chain has to be analysed as one – from the raw materials to the
finished part – the key step within that chain is the injection and impregnation of the porous
reinforcing structure within the closed mould. An inherent property of any porous
material characterized by its ability to let a fluid flow through under the driving force of a
pressure gradient, is the material’s permeability. Because it controls the propagation
velocity of the resin system in the mould, the permeability of the reinforcing material is
crucial for both understanding and modeling the RTM-process. Consequently, measurement and determination of the flow front propagation is necessary to further the development
of the LCM-process and to maximize high volume productions while maintaining
overall quality and process control.
The importance of the reinforcing structure and the effects on the RTM-process make it
clear that a separate evaluation of key characteristics such as permeability is the best way to understand the process. As such, characterizing the permeability of fibre structures
can offer valuable information about the general design of the preform structure as
well as the preform structure’s influence on permeability alterations.
Though the importance of an online control of the in-mould flow propagation processes
is recognized as an important tool, existing efforts to describe and control the flow front
position on a continuous basis have severe problems. Apart from others, the high temperatures
and pressures occurring, the thermosetting materials and their chemistry, as
well as the high geometrical complexity of moulds are issues to be taken into account
during the development of new mould integrated sensor systems.
A customized Capacitive Condensator Reading System (CCRS) provides the ability to
incorporate the above features with a continuous online determination of the flow-front
position in closed moulds. The condensator is integrated within the mould surface and is
able to measure the spreading of the resin by the differentiation of the complex dielectric
constant of air and resin. This system resolves the particularly difficult problem of
gathering data concerning the permeability of conductive fabrics (i.e. of carbon fibre
fabrics), which cannot be measured by a standard capacity sensor. Investigation and
experimental work lead to the result that (although exhibiting a ‘Faraday’s cage’) by
using an insulated sensor and a newly developed and customized electronic data
acquisition system the propagation of a fluid can be determined.
As a result, the newly developed capacitive sensor system allows the online determination
of the flow front propagation of liquid systems in both non electric conducting and
conducting reinforcing structures throughout the injection processes in closed moulds.
When compared to existing measurement methods, the benefits of the Capacitive Condensator
Reading System are:
• online continuous determination of flow front propagation,
• online data acquisition for permeability calculations,
• online fibre volume fraction control,
• online cavity height control,
• online curing documentation
and the ability to • allow high volume fractions and injection pressures,
• withstand high tool and resin temperatures,
• allow any geometry within the tool.
With the understanding that the process chain is a complex production cycle with its
various interacting elements and the possibility to document these completely in an
overall quality and process control, the realization of the potentials of the LCMtechnologies
will perform even more outstanding manufacturing possibilities for high
quality and high volume productions in the future.
Bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) kommen unterschiedlichste Faser-, Kunststoff- sowie Faser/Kunststoff-Halbzeuge zum Einsatz. Diese weisen oft sehr komplexe Verarbeitungseigenschaften auf, die bei der Prozessentwicklung eine besondere Herausforderung darstellen. Ein typisches Beispiel ist die Verfahrensgruppe der Flüssigimprägnierverfahren, bei denen eine endkonturnahe Faserstruktur mit einem Harzsystem imprägniert wird. Eine den Prozessverlauf maßgeblich bestimmende Verarbeitungseigenschaft der Faserstruktur ist hierbei die Permeabilität. Sie quantifiziert die Durchlässigkeit der Faserstruktur für die fluide Strömung und resultiert aus einer Vielzahl an interdependenten Einflüssen, wie z. B. einer inhomogenen Porosität mit extrem variierenden Fließkanaldurchmessern, lokalen Strukturvariationen, einer hohen Deformierbarkeit sowie Kapillarkräften.
Wissensgenerierung durch Grundlagenforschung zu einer einzelnen prozesskritischen Verarbeitungseigenschaft (wie der Permeabilität), stellt eine ideale Grundlage für die ganzheitliche, also sowohl die Prozess- und Anlagentechnik als auch die Materialien umfassende, Prozessentwicklung der jeweils betrachteten Verfahren/Verfahrensgruppe (z. B. Flüssigimprägnierverfahren) dar. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit eine mehrstufige, in sich geschlossene Forschungsmethodik definiert, die zur kontinuierlichen Weiterentwicklung des betrachteten Herstell-verfahrens sowie der eingesetzten Anlagen, Werkzeuge und Materialien geeignet ist. Anhand von Forschungsarbeiten zum Anwendungsbeispiel der Flüssigimprägnierverfahren bzw. der Permeabilität wird gezeigt, wie die Methodik umgesetzt werden kann: Der erste Schritt besteht in der Entwicklung von Methoden und Technologien, um Einflüsse auf die Permeabilität reproduzierbar zu erzeugen und die Auswirkungen untersuchen zu können. Anschließend folgen Parameterstudien zu Einflüssen auf die Permeabilität und die gewonnenen Erkenntnisse werden dann zu Richtlinien aggregiert. Anhand der Richtlinien können Materialien, Prozesse und Messtechnologien auf einen Anwendungsfall hin optimiert werden. Schließlich, werden über den Erkenntnisgewinn grundlegend neue Technologien entwickelt, woraus sich wiederum neue Aufgaben für die erste Stufe der Methodik ergeben.
Liquid Composite Moulding (LCM) has become an economic technique for the manufacture
of advanced composite lightweight structures in many cases. Meanwhile the
acronym LCM represents more than a dozen of varying process types, which all have
the principle in common that a liquid monomer is firstly injected into a cavity filled with
a reinforcing fibre preform and secondly it forms the part by chemically reacting to a
solid polymer network. A distinctive feature of the LCM process variations is their
applicability to the fabrication of a variety of different part sizes and shapes. Within
this development numerical process simulation has become an important engineering
tool for mould design and process control. Thereby the research focuses on the
simulation of resin flow through a fibrous reinforcement, because this turned out to be
the most critical process within the manufacture of composites by applying LCMTechnologies.
With the software commercially available the mould-filling pattern can
be simulated depending on the locations and number of inlet and outlet gates, resin
rheology, injection rate and pressure, thermal effects and the physics of liquid flow
through fibre preforms. Hereby the standard flow modelling bases on a proportional
relationship between the flow rate and the applied pressure gradient, which is known
as D´Arcy’s law. The describing proportional factor is called the permeability. Its
value depends on the considered flow direction because of a non-isotropic structural
arrangement of the fibre reinforcement. It becomes clear that the permeability affects
the injection process crucially and so the knowledge about it is indispensable for the
realistic prediction of a filling pattern by flow simulation.
Due to the complexity of the inner structure of a textile reinforcement the resulting
multiphase flow cannot be described adequately by an analytical model at the current
stage of research, so that the permeabilities of planar textile reinforcements like woven or non-crimped fabrics is usually obtained from flow measurements. A variety
of experimental set-ups were developed, which allow the tracking of the fluid flow
through the textile reinforcement. The permeability is derived from the flow data by
applying D´Arcy´s law. Most of these test-rigs allow the determination of the in-plane
flow characteristics only, because they are dominant in the most classical processing
techniques. But the simulation of these processes produces still significant errors,
which result from neglecting the out-of-plane flow. Since new liquid composite moulding
processes like SCRIMP™ or resin film infusion were developed, the knowledge of
the permeability in thickness direction becomes as important as the in-plane charac teristics so that researchers started to measure flow in thickness direction and developed
flow models which include the principle permeability in thickness direction. The
main arising difficulties are the measuring and the modelling for the calculation of the
permeability from flow front data. The objective of this work is to overcome these
problems by the development of a test-rig for the measure of the flow in thickness
direction and by determining a transformation rule, which addresses the unsolved
geometric boundary condition at the injection port.
After investigating the existing instrumentation for measuring flow in thickness direction
a new sensor concept is developed on the basis of ultrasound transmission,
which enables a steady collection of the actual position of a flow front. The applicability
of this test-rig was tested within the measure of the flow through different woven
and non-crimped fabrics. The permeability values, which were obtained from the flow
data with the aid of the improved analytic model, were validated by two-dimensional
radial flow experiments.
Zur kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunstoff-Verbunden in Form von Profilen
hat sich das Pultrusionsverfahren seit langem erfolgreich industriell etabliert. Bis jetzt
wurden fast ausschließlich duroplastische Matrizes verwendet. Aufgrund der
zahlreichen Vorteile wecken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend
das Interesse der Industrie; der Einsatz und die Fertigung von thermoplastischen
Profilen in hohen Stückzahlen werden jedoch bislang wegen mangelnder
Grundkenntnisse noch nicht realisiert.
In der vorliegenden Arbeit wird der Pultrusionsprozess thermoplastischer
Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Realisierbarkeit und Optimierung von
Prozessparametern untersucht. Ziel war es bereits vorliegende Erkenntnisse zu
erweitern und bestehende Wissenslücken zu schließen. Als Ausgangsmaterial
wurden verschiedene Garntypen verwendet: ein Garn aus Kohlenstoff- und Polyamid
12-Fasern, ein Mischgarn aus Glas- und Polypropylen-Fasern sowie Polypropylen
pulverimprägnierte Glasfasern (sogenannte Towpregs). Besonderes Augenmerk lag
auf dem ersten Garntyp aus CF/PA12, der diskontinuierliche Fasern enthält. Mit
diesen Materialien wurden unidirektional faserverstärkte, rechteckige und runde
Profile hergestellt. Weiterhin wurde der Einfluss von zwei Hauptprozessparametern,
die Temperatur der Vorheizzone und der Heizdüse und die Abzugsgeschwindigkeit,
sowie von der Länge der Heizdüse auf die Profilqualität analysiert. Die jeweils
verwendeten Garntypen, der sich einsstellende Faservolumengehalt sowie der
Feuchtigkeitseinfluss wurden zusätzlich systematisch untersucht. Weiterhin wurde
die Abzugskraft analysiert.
Die Charakterisierung der Pultrudatqualität erfolgte durch mechanische und
morphologische Prüfungen. Der Imprägnierungsgrad, die Biegeeigenschaften und
die Scherfestigkeit, sowie zweitrangig die Charpy-Schlagzähigkeit und die
Zugeigenschaften wurden hierzu ermittelt und anschließend bewertet. Weiterhin
wurde die Oberflächenqualität mittels Laserprofilometrie untersucht.
Einen entscheidenden Faktor stellte die Abzugsgeschwindigkeit dar. Bis auf die
Oberfläche wurden Verschlechterungen der Imprägnierung und der mechanischen
Eigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit beobachtet.
Weiterhin wurde der Abkühlungsprozess untersucht. Die bei der Pultrusion
vorhandenen Abkühlraten sind sehr hoch und werden von der
Abzugsgeschwindigkeit sowie der Kühldüsentemperatur beeinflusst.Die Erstellung eines Verarbeitungsfensters für das Garn aus CF/PA12 wurde
erfolgreich durch Verwendung einer Qualitätskennzahl durchgeführt.
Des Weiteren wurde die Erstarrung und der Prozess der Kristallisation aus der
Schmelze für das CF/PA12 System näher untersucht. Zur Beschreibung der
isothermen sowie nicht-isothermen Kristallisationskinetik wurden verschiedene
Methoden angewandt. In diesem Zusammenhang lieferten das Modell von Chuah
zufriedenstellende Ergebnisse.
Weiterhin erfolgte die Modellierung der Wärmeübertragung zur Vorhersage der
Temperatur im Material während der Pultrusion mit der Finiten Elemente Methode.
Aufbauend hierauf können im Versuchsvorfeld die am besten geeigneten
Werkzeugtemperatur-/Abzugsgeschwindigkeitskombinationen eingestellt werden.