Forschungsberichte aus dem Faserinstitut Bremen | Band 74 E-Book

Markus Geiger

• Herausgeber: Books on Demand
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: Forschungsberichte aus dem Faserinstitut Bremen
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 114

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung der Lastaufnahme von Faserverbund-Sandwichstrukturen durch Integration textiler Preformingverfahren in den Fertigungsprozess. Im Forschungsvorhaben wurde demonstriert, dass die mechanischen Eigenschaften von Faserverbund-Sandwichstrukturen in Lasteinleitungsbereichen mit Fügeelementen, wie gewindefurchende Schrauben, durch lokale, lastgerechte Endlosfaserverstärkungen verbessert und dass die Belastbarkeit von Sandwichstrukturen in Dickenrichtung durch Vernähen erhöht sowie die Neigung zur Delamination gleichzeitig reduziert werden kann. Zu diesem Zweck wurden Endlosfasern entlang vorgesehener Lasteinleitungsbereiche mithilfe des TFP-Verfahrens direkt auf den Decklagen abgelegt und die textilen Decklagen mit dem Schaumkern vernäht. Im Anschluss wurde der Aufbau im Vakuuminfusionsverfahren mit einem duroplastischen Matrixsystem durchtränkt und ausgehärtet. Der Einfluss der gewählten Parameter sowie der eingesetzten Materialien auf den textilen Preformingschritt und das Infusionsverhalten wurden analysiert. Die Eigenschaften der Sandwichbauteile wurden im Rahmen von mechanischen und optischen Laboruntersuchungen ermittelt sowie mit Referenzmaterialen verglichen.

Leseprobe

Danksagung

Das IGF-Vorhaben „LaVeSa“ (IGF-Nr. 21974 N/1) der Forschungsvereinigung „Forschungskuratorium Textil e.V.“, Reinhardtstraße 12-14, 10117 Berlin wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.

Drüber hinaus gilt unser Dank den beteiligten Projektpartnern und den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses für die gute Zusammenarbeit und die Unterstützung bei den Forschungsarbeiten.

Der Abschlussbericht kann am Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) ausgeliehen werden.

Gefördert durch:

aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Zusammenfassung der Ergebnisse zum

IGF-Vorhaben Nr. 21974 N/1

„LaVeSa – Lastgerecht verstärkte Sandwichplatten durch Einsatz optimierter Textilstrukturen“

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung der Lastaufnahme von Faserverbund-Sandwichstrukturen durch Integration textiler Preformingverfahren in den Fertigungsprozess. Im Forschungsvorhaben wurde demonstriert, dass die mechanischen Eigenschaften von Faserverbund-Sandwichstrukturen in Lasteinleitungsbereichen mit Fügeelementen, wie gewindefurchende Schrauben, durch lokale, lastgerechte Endlosfaserverstärkungen verbessert und dass die Belastbarkeit von Sandwichstrukturen in Dickenrichtung durch Vernähen erhöht sowie die Neigung zur Delamination gleichzeitig reduziert werden kann.

Zu diesem Zweck wurden Endlosfasern entlang vorgesehener Lasteinleitungsbereiche mithilfe des TFP-Verfahrens direkt auf den Decklagen abgelegt und die textilen Decklagen mit dem Schaumkern vernäht. Im Anschluss wurde der Aufbau im Vakuuminfusionsverfahren mit einem duroplastischen Matrixsystem durchtränkt und ausgehärtet.

Der Einfluss der gewählten Parameter sowie der eingesetzten Materialien auf den textilen Preformingschritt und das Infusionsverhalten wurden analysiert. Die Eigenschaften der Sandwichbauteile wurden im Rahmen von mechanischen und optischen Laboruntersuchungen ermittelt sowie mit Referenzmaterialen verglichen. Im Rollschälversuch konnte gezeigt werden, dass eine flächige Vernähung mit 5 mm Stichabstand zu einer zehnfachen Steigerung des Schälwiderstandes im Vergleich zu unvernähten Sandwiches führt. Im Pull-Out Versuch zeigten vernähte Patches mit 2,96 kN eine 71 % höhere Auszugskraft als aufgeklebte Referenzproben.

Mit Hilfe der im Projekt gewonnenen Erkenntnisse wurde zusammen mit dem PbA ein Demonstrator in Anlehnung an eine Türstruktur umgesetzt. Zur Demonstration des entwickelten LaVeSa-Verfahrens wurden unterschiedliche Lastfälle von Anbauteilen wie Griff, Hacken, Scharnier oder Riegel betrachtet, lastgerecht optimierte Patches entwickelt, in die Sandwichstruktur integriert und mittels Vakuuminfusionsverfahren mit Matrix durchtränkt.

Durch die wirtschaftliche Umsetzung eines Prozesses zur lastgerechten Verstärkung von Sandwichbauteilen können neue Anwendungsfelder z.B. in Nutzfahrzeugen, Luftfahrt, Yachtbau oder der Sportartikelbranche erschlossen werden, wodurch eine Stärkung der Marktposition von KMU im Bereich der textilen Halbzeuge und Zulieferindustrie zu erwarten ist.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Inhaltsverzeichnis

1. Ausgangssituation

1.1 Motivation für das Projekt

1.2 Problemstellung

2. Forschungsziel und Lösungsweg

2.1 Forschungsziel

2.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels

2.3 Wirtschaftliche Relevanz für KMU

3. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse

3.1 KonzeptionundSpezifikation(HAP 1)

3.2 Auslegung der Lastpfade und Z-Verstärkung (HAP 2)

3.3 Textiler Prozess: Prozessauslegung und Halbzeug-herstellung (HAP 3)

3.4 Infusionsprozess (HAP 4)

3.5 Untersuchung der Eigenschaften auf Couponebene (HAP 5)

3.6 Ergebnisverwertung (HAP 6)

4. Bedeutung / Nutzen des Forschungsthemas, für kleine und mittlere Unternehmen

4.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen

4.2 Wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen

4.3 Innovativer Beitrag

4.4 Industrielle Anwendung

5. Durchführende Forschungsstelle

6. Verzeichnisse

1. Ausgangssituation

Das erste Kapitel geht zu Beginn auf die Motivation für das Projekt ein. Anschließend werden die identifizierten Problemstellungen in Bezug auf Sandwichstrukturen genannt und näher erläutert.

1.1 Motivation für das Projekt

Mobilität stellt seit dem Beginn ihrer Geschichte ein Grundbedürfnis der Menschheit dar. Spätestens seit in der Moderne Flugzeug und Automobil zu den Haupttransportmitteln gehören und verstärkt die Verbesserung der Effizienz der Technik im Vordergrund steht, nimmt der Leichtbau dabei eine immer wichtigere Rolle ein. Das Ziel beim Leichtbau ist, durch eine Gewichtseinsparung, eine Senkung des Energieverbrauches von technischen Systemen zu erreichen. Damit einhergehend und heutzutage von elementarer Wichtigkeit ist die Senkung des Ausstoßes von klimaschädlichen Treibhausgasen während der Produktion und Nutzung technischer Systeme. Daher sind Leichtbau und Leichtbaustrategien insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt und dem Automobilbau fortwährende lnnovationstreiber (Friedrich 2017).

Leichtbau kann grundsätzlich als eine Absichtserklärung definiert werden, die eine Minimierung der Masse einer Struktur vorsieht, ohne dass dies zu einer Funktionalitätseinschränkung führt (Wiedemann 2007). Ziel beim Leichtbau ist es, eine Struktur mit möglichst geringem Eigengewicht, mit einer bestimmten Lebensdauer und gewünschten Funktionalitäten unter gegebenen Randbedingungen zu realisieren. Selbstverständlich muss dabei auch die Sicherheit der Struktur gewährleistet bleiben. In seiner Umsetzung ist ein solcher Entwicklungsprozess von einem hohen Grad an Interdisziplinarität geprägt, da das Ziel der Masseeinsparung bestmöglich durch die Nutzung und Kombination verschiedenster Technologien erreicht wird. Dazu gehören etwa die Wahl eines geeigneten Werkstoffes, die Auslegung und Konstruktion der Struktur unter Leichtbaugesichtspunkten, die Wahl einer passenden Bauweise, eine darauf angepasste Fügetechnik sowie letztendlich die Auswahl einer geeigneten Herstellungstechnologie (Klein 2013). All dies muss jedoch immer unter Berücksichtigung der entstehenden Kosten betrachtet werden. Dem theoretisch realisierbaren Leichtbaugrad einer Struktur, etwa eines Fahrzeugbauteils, sind somit häufig wirtschaftliche Grenzen durch die entstehenden Kosten gesetzt.

Im Entwicklungsprozess einer masseoptimierten Leichtbaustruktur lassen sich verschiedene Strategien unterscheiden, die für einen zielführenden Ablauf gleichermaßen berücksichtigt werden sollten und den hohen Interdisziplinaritätsgrad verdeutlichen. Dabei wird zwischen Stoffleichtbau, Formleichtbau, Konzeptleichtbau, Fertigungsleichtbau und Bedingungsleichtbau unterschieden, wobei weitere Strategien existieren, die den genannten untergeordnet werden können (Wiedemann 2007).

Die Umsetzung einer Leichtbaustruktur kann durch die Anwendung verschiedener Bauweisen erfolgen. Die Differentialbauweise zielt darauf ab, eine Struktur durch das Fügen von Einzelteilen zu fertigen. Dies ermöglicht die Nutzung und Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, führt aber andererseits auch zu Nachteilen wie einem erhöhten Gewicht durch die zusätzlich benötigten Fügeelemente. Dem gegenüber steht die Integralbauweise, die darauf abzielt, ein Bauteil aus möglichst wenigen Einzelteilen zu fertigen. Dies führt zu einer eingeschränkten Freiheit in der Kombination unterschiedlicher Materialien, kann aber ein geringeres Gewicht der Gesamtstruktur ermöglichen. Bei der Verbundbauweise wird die Kombination verschiedener Werkstoffe in einem Bauteil angestrebt, um die jeweiligen positiven Eigenschaften gezielt nutzen zu können. Dazu gehören etwa faserverstärkte Kunststoffe (FVK) (Klein 2013).

Sandwichstrukturen stellen ein klassisches Beispiel der Verbundbauweise dar, dessen Anwendung für leichtbaurelevante Systeme weit verbreitet ist (Henning und Moeller 2020). Das Prinzip solcher Sandwichstrukturen, welche auch als Kernverbunde bezeichnet werden, sieht vor, dass zwei dünne, steife und feste Decklagen flächig mit einem Kernmaterial geringerer Dichte verbunden werden. Sandwichstrukturen beruhen somit vor allem auf der Kombination der Prinzipien des stofflichen und des strukturellen Leichtbaus (Roth 2006). Abbildung 1 zeigt schematisch den grundlegenden Aufbau von Sandwichstrukturen.

Abbildung 1: Komponenten einer Sandwichstruktur

1.2 Problemstellung

lm folgenden Unterkapitel werden die drei identifizierten wissenschaftlich-technischen bzw. wirtschaftlichen Problemstellungen in Bezug auf faserverstärkte Sandwichstrukturen mit Schaumkern erläutert.

Problemstellung 1: Punktelle Lasteinleitunq in Sandwichstrukturen

Die Faserverbund-Decklagen klassischer Sandwichstrukturen bestehen überwiegend aus flächigen textilen Halbzeugen, wie Multiaxialgelege oder Gewebe. Punktuelle Lasteinleitungen werden größtenteils über Inserts integriert. Als Insert werden allgemein Strukturen bezeichnet, die dem Zweck dienen, die Steifigkeit und Festigkeit einer Sandwichstruktur lokal zu erhöhen, um die punktuellen Belastungen adäquat im Material zu verteilen (Zenkert 1997). Durch die Integration eines Inserts z.B. durch Ausschäften und Einkleben der Elemente werden die lasttragenden Fasern geschädigt. Dadurch wird die Lochleibungsfestigkeit in diesen Bereichen reduziert. Durch die starre Faseranordnung in den konventionellen textilen Halbzeugen liegt keine belastungsoptimierte Faserausrichtung vor. Um dies auszugleichen, wird die gesamte faserverstärkte Decklage an die maximalen Spannungsspitzen des Inserts ausgelegt. Folglich führt dies zu einem dickeren Faser-Kunststoff-Verbund, was neben einem höheren Strukturgewicht auch zu höheren Werkstoffkosten führt.

Zur Einleitung von Normalkräften in Sandwichstrukturen werden Inserts mit Befestigungselement verwendet. Um die Festigkeiten der Verbindung zwischen dem metallischen Insert und dem Sandwichkern zu steigern und darüber hinaus ein Quetschen des Kerns bzw. vorzeitiges Ausreißen des Inserts zu verhindern, wird eine Kernfüllmasse am Fügepunkt eingebracht. Dazu werden Bereiche der Sandwichstrukturen ausgefräst und ein Insert mithilfe der Kernfüllmasse in die Struktur eingeklebt, wie in Abbildung 2 zu erkennen ist (ECSS 2011).

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Elnleltung punktueller Lasten mlttels Inserts

Diese Art der Einbettung führt zu einer Gewichtserhöhung in den Fügebereichen. Wird bei einer 10 mm dicken Sandwichstruktur ein Durchmesser von 100 mm mit Kernfüllmasse gefüllt, entsteht eine Gewichtszunahme von ca. 40 g pro Fügepunkt. Es ist nicht selten, dass Sandwichstrukturen über eine sehr hohe Anzahl an Inserts verfügen (> 70 Stück), wie beispielsweise Elemente einer Lavatory Einheit für Passagierflugzeuge der EURO-COMPOSITES Group, weswegen eine noch höhere Gewichtszunahme schließlich resultiert (Euro Composites Group 2012). Zudem entstehen Steifigkeitssprünge zwischen dem Insert, Füllstoffmasse und Kernmaterial, was zu einer Rissinitiierung führen kann. Je nach Krafteinleitungskonzept ergeben sich aus den verschiedenen Varianten konventioneller Inserts neben der Erhöhung des Gewichts weitere Nachteile, wie etwa ein verfrühtes Kernversagen infolge von Spannungsspitzen durch die resultierenden Steifigkeitssprünge zwischen Kern, Deckschicht und Insert (Roth 2006).

Problemstellunq 2: Belastbarkeit in Z-Richtung und Neigung zu Delaminationen

Bei klassischen Sandwichbauteilen werden Decklagen und Kern adhäsiv miteinander verbunden. Kommt es z.B. aufgrund einer Schlagbeanspruchung zu einer Rissinitiierung, besteht die Gefahr des Risswachstums und Delaminationen zwischen den Deckschichten und dem Kern, wie in Abbildung 3 dargestellt. Aufgrund der geringen Druckbeständigkeit von Schaumkernen kann es zudem zum Kompaktieren dieser bei Biegebelastung kommen. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Sandwichstrukturen stellt das Einbringen von sogenannten Armierungen dar (Dimassi 2020).

Abbildung 3: Delamination von Kern und Deckschicht (Rome 2023)

Damit sind steife und feste Materialien gemeint, die in Dickenrichtung in den Sandwichkern eingebracht werden und zur Steigerung der transversalen Eigenschaften des Kernmaterials beitragen. Außerdem kann dadurch der Widerstand gegen Delamination zwischen Kern und Deckschicht erhöht werden. Wichtige Einflussgrößen dabei sind die Armierungsdichte, also die Anzahl an Elementen pro Fläche und die als Armierungswinkel bezeichnete Orientierung der eingebrachten Strukturen zur Z-Achse der Sandwichstruktur. Eine Variante der Armierung von Sandwichstrukturen ist das Einbringen von Pins, also stabförmigen Elementen aus einem steifen und festen Material in den Kern. Diese etwa aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), Keramik, Stahl oder Nylon bestehenden Elemente können bei Sandwichstrukturen mit polymerem Schaumstoffkern eingesetzt werden und beschränken sich auf den Bereich des Kerns oder ragen bis in die Deckschichten hinein. Über das Matrixpolymer kann so eine stoffschlüssige Verbindung von Kern und Deckschichten hergestellt werden. Durch Pins kann hauptsächlich der Widerstand gegen schälende Beanspruchung erhöht und die Zug- und Druckeigenschaften in Z-Richtung verbessert werden. Letzteres wird am stärksten durch einen Armierungswinkel von 0° erreicht, also einer Orientierung der Pins senkrecht zu den Decklagen. Eine Vergrößerung dieses Winkels führt dagegen hauptsächlich zu einer Verbesserung der Schubeigenschaften der Struktur (Roth 2006). X-Cor™ und K-Cor™ stellen kommerzielle Schaumkernkonzepte mit Pinverstärkung dar, deren Armierungswinkel und -dichte variabel einstellbar sind (Casari 2005). Abbildung 4 zeigt das Prinzip der X-Cor™-Armierung. Dabei ist es möglich, den Hartschaumstoff zu entfernen, sodass der Sandwichkern nur durch die Pins gebildet wird. (Marasco 2005).

Abbildung 4: X-Cor™-Sandwichkern (nach Marasco 2005)

Aktuelle Studien zur Pinverstärkung von Schaumkern-Sandwichmaterialien werden etwa am Faserinstitut Bremen e.V. durchgeführt (Dimassi 2016a, Dimassi 2016b, Dimassi 2020). Dabei wird die von Airbus entwickelte Tied Foam Core Technology (TFC) eingesetzt, bei der Verstärkungsfasern in Rovingform mit einer Nadel durch den Schaumkern gezogen und abgeschnitten werden (Weber 2009). Damit ist die Umsetzung von verschiedenen Stichwinkeln, Stichdichten, Stichdurchmessen und diversen Stichmustern möglich. In Dimassi et al. (2020) konnte etwa eine Verbesserung der Kompressionseigenschaften von Sandwichstrukturen mit Schaumkern durch die Implementierung von GFK- und CFK-Pins mit der TFC-Technologie erreicht werden. Ein weiteres Verfahren, welches für die Armierung von Sandwichstrukturen genutzt werden kann, stellen die klassischen Nähtechniken aus der etablierten textilen Konfektionstechnik dar. Diese Verfahren ermöglichen bei Sandwichstrukturen insbesondere die Verbesserung der transversalen mechanischen Eigenschaften. Dabei wird eine Vernähung des Textils der FVK-Decklage mit dem polymeren Schaumstoffkern vor der Sandwichherstellung umgesetzt (Stanley 2001). Für die Vernähung können verschiedene Stichtypen in Betracht gezogen werden. Weimer konnte in einem Vergleich verschiedener Stichtypen zeigen, dass der Doppelsteppstich diverse Vorteile in der Nutzung im Preforming von FVK gegenüber anderen Stichtypen wie dem Überwendlichstich oder dem Doppelkettenstich bietet (Weimer 2002).

Problemstellung 3: Hoher Herstellungsaufwand durch manuelle Handhabungsschritte

Die Montage von klassischen Inserts in den Lasteinleitungsbereichen sind mit mehreren Arbeitsschritten verbunden, die häufig manuell durch eine Fachkraft ausgeführt werden. In der Fügezone des Bauteils muss zunächst die Deckschicht entfernt und das Kernmaterial ausgefräst werden. Anschließend wird das Insert in der Schäftung positioniert und der Spalt zwischen Insert und Schäftung mit Kernfüllmasse aufgefüllt. Je nach Kernfüllmasse muss das Bauteil für mehrere Stunden oder Tage aushärten bevor das Insert zum ersten Mal belastet werden kann. Je nach Komplexität der Bauteile steigen die Fertigungsschritte und die Fertigungszeit, was zu höheren Kosten führt.

Im Projekt wird ein Verfahren zur Optimierung der Lastaufnahme von Faserverbund-Sandwichstrukturen entwickelt. Durch die Integration textiler Preformingverfahren in den Fertigungsprozess und die Verwendung von gewindefurchenden Schrauben zur Lasteinleitung lassen die manuellen Handhabungsschritte im Vergleich zum beschriebenen Verfahren reduzieren. So entfallen beim LaVeSa-Verfahren folgende Handhabungsschritte:

Einbringung von Kernfüllmasse und Hartgewebe an der Insert Position

Vor- und Nachbereitung für Autoklav Prozess

Bohren oder Fräsen der Hohlräume für Inserts

Vorbereitung und Positionierung der Inserts in Hohlräume

Injektion der Kernfüllmasse

Nacharbeiten des Insert Bereiches

Neben der Reduzierung der Handhabungsschritte entfällt beim LaVeSa-Verfahren das Aushärten der Kernfüllmasse. Je nach Typ der Kernfüllmasse kann dieser Schritt zwei bis 24 Stunden dauern. In dieser Zeit darf das Bauteil nicht belastet werden.

2. Forschungsziel und Lösungsweg

Aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit verfügen Faserverbundkunststoffe (FVK) im Vergleich zu herkömmlichen Werkstoffen, wie beispielsweise metallischen Komponenten, über ein besonders hohes Leichtbaupotenzial (Schürmann 2011). Die Herstellung solcher Faserverbundkunststoffe ist meist mit einem hohen Energieaufwand und einem hohen Anteil händischer Tätigkeiten verbunden, weshalb das Anwendungsspektrum dieser Materialklasse vergleichsweise begrenzt ist. In diesem Kapitel wird das Forschungsziel des Projekts vorgestellt, der Lösungsweg präsentiert und Bezug auf die wirtschaftliche Relevanz für kleine mittelständische Unternehmen (KMU) genommen.

2.1 Forschungsziel

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung der Lastaufnahme von Faserverbund-Sandwichstrukturen durch Integration textiler Preformingverfahren in den Fertigungsprozess. Im Forschungsvorhaben wird demonstriert, dass die mechanischen Eigenschaften von Faserverbund-Sandwichstrukturen in Lasteinleitungsbereichen mit Fügeelementen, wie gewindefurchende Schrauben, durch lokale, lastgerechte Endlosfaserverstärkungen verbessert wird und dass die Belastbarkeit von Sandwichstrukturen in Dickenrichtung durch Vernähen erhöht sowie die Neigung zur Delamination gleichzeitig reduziert wird.