Matrixhybride - Werkstoff- und Technologieentwicklung zur form- und stoffschlüssigen Kopplung thermoplastischer und duroplastischer FVK-Laminate E-Book

Holger Büttemeyer

• Herausgeber: Books on Demand
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Forschungsberichte aus dem Faserinstitut Bremen
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 43

Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

Für Faserverbundkunststoffe (FVK) werden als Matrixmaterialien entweder Thermoplaste oder Duroplaste verwendet. Beide Matrixsysteme besitzen teilweise sehr verschiedene Eigenschaften, weswegen sich sowohl die Verarbeitung als auch die späteren Bauteileigenschaften stark voneinander unterscheiden. Das Gesamtziel des Forschungsprojektes Matrixhybride war eine Kombination dieser beiden Matrices in einem Verbundwerkstoff, um duroplastische FVK-Bauteile über Schweißverfahren fügen zu können. Die Kopplung beider Matrixsysteme erfolgt über die Kombination der Verbindungstechniken Form- und Stoffschluss. Der Formschluss wird durch ein textiles Halbzeug erzeugt. Hierfür werden vorrangig Gewebe eingesetzt, deren Kett- und Schussfäden alternierend die Matrixseite wechseln. Der Stoffschluss musste über den Nachweis adhäsiver Bindungen an der Grenzfläche zwischen duroplastischer und thermoplastischer Matrix erreicht werden. Nach der Herstellung und Prüfung hybrider Laminate, vorwiegend auf Basis Luftfahrt-zugelassener Epoxidharze und PEI als Thermoplast, wurden erfolgreich Schweißversuche auf Demonstrator-Bauteilen durchgeführt. Die neue Werkstoff- und Technologieentwicklung schließt eine bisher vorhandene gravierende Verfahrenslücke bei Fügeprozessen im Compositebereich. Die Fertigung hybrider Laminate erfolgt in zwei Technologiestufen, der thermoplastischen Teilkonsolidierung von Geweben und anschließend dem weiteren duroplastischen Laminataufbau auf endgültige Bauteilwandstärke. Partner am Gesamtprojekt waren neben Projektkoordinator Cotesa GmbH, Mittweida: Sächsisches Textilforschungs-institut e. V., Cetex gGmbH, Rucks Maschinenbau GmbH, Eichler & Meurers Industrietechnik GmbH und Faserinstitut Bremen e. V.

Leseprobe

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die im Rahmen des Förderprogrammes „Zwanzig20 - Partnerschaft für Innovation“ erfolgte, finanzielle Förderung dieses Vorhabens mit dem Förderkennzeichen 03ZZ0621B.

Wir danken dem PTJ Projektträger Jülich - Forschungszentrum Jülich GmbH als Projektträger des BMBF für die kooperative Zusammenarbeit und Betreuung der Arbeiten. Insbesondere möchten wir Dr. Axel Löbus und Dr. Florian Scherer für ihre kontinuierliche, engagierte und lösungsorientierte Unterstützung danken.

Darüber hinaus gilt der Dank den beteiligten Projektpartnern für die tolle und erfolgreiche Zusammenarbeit sowie der CTC GmbH, welche das Vorhaben im Unterauftrag unterstützt haben.

Den Mitgliedern des Beirates von futureTEX danken wir für die richtungsweisenden Anregungen und wertvollen Diskussionen in den Beiratssitzungen und darüber hinaus.

Inhaltsverzeichnis

I Kurze Darstellung

I.1 Aufgabenstellung

I.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde

I.3 Planung und Ablauf des Vorhabens

I.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde

I.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

II Eingehende Darstellungen

II.1 Verwendung der Zuwendung und des erzielten Ergebnisses im Einzelnen, mit Gegenüberstellung der vorgegebenen Ziele

II.2 Wichtige Positionen des zahlenmäßigen Nachweises

II.3 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit

II.4 Voraussichtlicher Nutzen, insbesondere der Verwertbarkeit des Ergebnisses im Sinne des fortgeschriebenen Verwertungsplans

II.5 Während der Durchführung des Vorhabens dem ZE bekannt gewordener Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen

II.6 Erfolgte oder geplante Veröffentlichungen des Ergebnisses

11.6.1 Veröffentlichungen und Aktivitäten in der Vorhabenlaufzeit

11.6.2 Geplante Veröffentlichungen nach Ende des Vorhabens

III Literaturverzeichnis

IKurze Darstellung

I.1Aufgabenstellung

Für Faserverbundkunststoffe (FVK) werden als Matrixmaterialien wahlweise Thermoplaste (TP) oder Duroplaste (TS für Thermoset) verwendet. Beide Matrixsysteme besitzen teilweise sehr verschiedene Eigenschaften, weswegen sich sowohl die Verarbeitung als auch die späteren Bauteileigenschaften stark voneinander unterscheiden.

Das Gesamtziel des Forschungsprojektes Matrixhybride war eine Kombination dieser beiden Matrices in einem Verbundwerkstoff, um duroplastische FVK-Bau- teile über Schweißverfahren zu fügen. Die neue Werkstoff- und Technologieentwicklung schließt eine bisher vorhandene gravierende Verfahrenslücke bei Fügeprozessen im Compositebereich.

Die Kopplung beider Matrixsysteme soll über die Kombination der Verbindungstechniken Form- und Stoffschluss erfolgen. Der Formschluss wird durch ein textiles Halbzeug erzeugt. Hierfür werden vorrangig Gewebe eingesetzt, deren Kett- und Schussfäden alternierend die Matrixseite wechseln. Der Stoffschluss befindet sich durch die Anhaftung der Matrixgrenzflächen.

Ausgewählte Schwerpunkte innerhalb des Teilprojekts vom FIBRE waren die

Untersuchung der Faser-Matrix-Grenzfläche unter Berücksichtigung der Faserschlichte,

Durchführung von Simulationen auf atomistischer Ebene zum Nachweis von molekularen Verbindungen zwischen Duroplasten und Thermoplasten,

Entwicklung eines Fertigungsprozesses zur Herstellung von matrixhybriden Laminaten im Nassverfahren, vorrangig im Vakuuminfusionsverfahren und

Erprobung von Schweißverfahren an den matrixhybriden Laminaten über ihre thermoplastische Oberfläche

I.2Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde

Um das Projektziel für die Technologieentwicklung Matrixhybride zu erreichen, wurde ein kompetentes Konsortium zusammengestellt, welches jeweils Experten auf ihrem Fachgebiet sind. Dadurch wurde bereits vor Projektbeginn die Wahrscheinlichkeit eines Projekterfolges gesteigert. Die Entwicklung matrixhybrider Laminate zielte vorrangig auf Anwendungen in der Luftfahrt. Dementsprechend wurde das Vorhaben von der Cotesa GmbH, Mittweida, einem Zulieferer für Strukturbauteile für Airbus und Boeing, koordiniert.

Die weiteren Projektpartner waren

Sächsisches Textilforschungsinstitut e. V. (STFI),

Cetex gGmbH, Chemnitz, (Cetex),

Rucks Maschinenbau GmbH, Glauchau, (Rucks),

Eichler & Meurers Industrietechnik GmbH, Berbisdorf (E&M) und

Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V., Chemnitz (STFI).

I.3Planung und Ablauf des Vorhabens

Durch das zwanzig20-Förderprogramm wurde es ermöglicht, dass Forschungseinrichtungen und Unternehmen, insbesondere in den neuen Bundesländern und strukturschwache Regionen, sich vernetzen, um innovative Produkte und Fertigungsprozesse zu entwickeln und dadurch einen lösungsorientierten Beitrag für Fragestellungen von heute zu lösen. Dieses Projekt wurde direkt aus der Strategie des Schwerpunkts F3 für „Textile Zukunftsprodukte“ sowie den Zielen der Roadmap im Themenkomplex Leichtbau abgeleitet. Beanspruchungsgerechte und belastungsgerechte Konturen haben große Schnittmengen zu den Themengebieten Ressourceneffizienz und Smart Factory. Insbesondere für kostenintensive Hochleistungsfasern ist die Materialeffizienz eine entscheidende Stellgröße für innovative Leichtbauprodukte und deren Marktchancen im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen.

Die Aufgaben im Projekt wurden durch folgende Arbeitspakete strukturiert:

I.4Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde

Durch das Auftragen einer thermoplastischen Oberfläche auf einen Duroplasten ist es möglich, duroplastische Bauteile zu verschweißen. Nach dem Stand der Technik kann dieses durch zwei Vorgehen realisiert werden, nämlich durch die

Integration einer thermoplastischen, hybriden Zwischenschicht oder durch das

"TP-Film Co-Curing"

Bei dem Verfahren mit einer thermoplastischen, hybriden Zwischenschicht wird keine Kompatibilität der thermoplastischen und duropalstischen Matrices vorausgesetzt und kann somit grundsätzlich mit allen Matrixsystemen erfolgen.

Abb. 1: Bindungsmechanismen im Matrixhybrid (Faser-Matrix (blau) - Matrix-Matrix (rot))

Als Zwischenschicht dient hierbei ein Gewebe, welches durch die halbzeugtypischen Ondulationen die Matrixseite alternierend wechselt. Hierbei wird das Gewebe mit einem Thermoplasten genau bis zur Lagenmitte teilkonsolidiert, um eine hohe Umsetzung des Formschlusses auszuüben. In einer Studie von Ageorges und Ye wurden bereits Versuche mit dem amorphen Thermoplastwerkstoff Polyetherimid durchgeführt, um den Einfluss der Temperatur und des Flächengewichts vom Gewebe zu charakterisieren [3]. Dabei wurde festgestellt, dass mit einer Erhöhung der Konsolidierungstemperatur oder mit Reduzierung des textilen Flächengewichtes das Polyetherimid das Gewebe stärker durchtränkte. Im "TP-Film-Co-Curing" dagegen sind lediglich thermoplastische und duroplastische Matrixsysteme kombinierbar, welche eine be-stimmte