Resin Film Pultrusion - Lisa Müller - E-Book

Resin Film Pultrusion E-Book

Lisa Müller

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Beschreibung

Mit diesem Forschungsprojekt verfolgte das Faserinstitut das Ziel, eine kontinuierliche Prozesskette - basierend auf der Pultrusions-Technologie - zur Verarbeitung von textilen Halbzeugen in Kombination mit Harzfilmen zu entwickeln. Die Herausforderung hierbei bestand in der Prozessentwicklung zum kontinuierlichen Preforming des bewegten Lagenpakets und der anschließenden Imprägnierung und Konsolidierung in einer kontinuierlich arbeitenden getakteten RTM-Presse. Da der Preformingprozess einer gleichmäßigen Adhäsion zwischen Harzfilm und Textil bedarf, der Imprägnierungsprozess dagegen eine geringe Viskosität des Harzsystems zur vollständigen Benetzung des Textils erforderlich macht, wurde zu Beginn des Projektes, das Verhalten des Harzfilms in Abhängigkeit der Temperatur (DSC, Klebrigkeitsuntersuchungen) analysiert. Im Anschluss daran wurden statische Pressversuche durchgeführt, anhand derer sowohl die Ergebnisse der Harzfilmuntersuchung validiert als auch die Abzugsgeschwindigkeit und das Druckprofil für den kontinuierlichen Prozess abgebildet wurden. Zur Validierung der Prozesskette wurde eine automobile Versteifungsstruktur in Form eines Pkw-Seitenaufprallträgers als Demonstrator gewählt und im entwickelten Prozess kontinuierlich hergestellt. Die dabei hergestellten Profile wurden auf ihren Aushärtegrad und Faservolumengehalt untersucht. Zusätzlich wurden Schliffbilder analysiert.

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Ähnliche


Schlussbericht

zu dem IGF-Vorhaben

Resin Film Pultrusion

der Forschungsstelle(n)

Faserinstitut Bremen e.V.

Das IGF-Vorhaben 18304 N/1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil wurde über die

im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom

aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Bremen, 20.10.2016

Ort, Datum

Name und Unterschrift des/der Projektleiter(s) an der/den Forschungsstelle(n)

Danksagung

Das IGF-Vorhaben „Resin Film Pultrusion (RFP)“ (IGF-Nr. 18304 N/1) der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstraße 12-14, 10117 Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und –Entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.

Darüber hinaus gilt unser Dank den beteiligten Projektpartnern und den Mitgliedern des Projekt begleitenden Ausschusses für die gute Zusammenarbeit und die Unterstützung bei den Forschungsarbeiten.

Der Schlussbericht kann beim Faserinstitut Bremen e. V. (FIBRE) ausgeliehen werden.

Faserinstitut Bremen e.V.

Zusammenfassung der Ergebnisse zum AiF-Forschungsvorhaben 18304 N/1

“Resin Film Pultrusion (RFP) - Kontinuierliche Fertigung schlagzäher Faserverbundstrukturen auf Basis kosteneffizienter textiler Halbzeuge und Harzfilme”

Mit diesem Forschungsprojekt verfolgte das Faserinstitut das Ziel, eine kontinuierliche Prozesskette - basierend auf der Pultrusions-Technologie - zur Verarbeitung von textilen Halbzeugen in Kombination mit Harzfilmen zu entwickeln. Die Herausforderung hierbei bestand in der Prozessentwicklung zum kontinuierlichen Preforming des bewegten Lagenpakets und der anschließenden Imprägnierung und Konsolidierung in einer kontinuierlich arbeitenden getakteten RTM-Presse. Da der Preformingprozess einer gleichmäßigen Adhäsion zwischen Harzfilm und Textil bedarf, der Imprägnierungsprozess dagegen eine geringe Viskosität des Harzsystems zur vollständigen Benetzung des Textils erforderlich macht, wurde zu Beginn des Projektes, das Verhalten des Harzfilms in Abhängigkeit der Temperatur (DSC, Klebrigkeitsuntersuchungen) analysiert. Im Anschluss daran wurden statische Pressversuche durchgeführt, anhand derer sowohl die Ergebnisse der Harzfilmuntersuchung validiert als auch die Abzugsgeschwindigkeit und das Druckprofil für den kontinuierlichen Prozess abgebildet wurden. Zur Validierung der Prozesskette wurde eine automobile Versteifungsstruktur in Form eines Pkw-Seitenaufprallträgers als Demonstrator gewählt und im entwickelten Prozess kontinuierlich hergestellt. Die dabei hergestellten Profile wurden auf ihren Aushärtegrad und Faservolumengehalt untersucht. Zusätzlich wurden Schliffbilder analysiert.

Mit der Fertigungstechnologie ist es möglich durch die Nutzung eines Harzfilms und einem daraus resultierenden kurzen Fließweg in Dickenrichtung, hochviskose Harzsysteme mit homogen integrierten funktionellen Inhaltstoffen in Kombination mit einem textilen Halbzeug zu verarbeiten. Es lassen sich so schlagzähmodifizierte Faserverbund-Profile mit hohem Energieaufnahmevermögen im Nassverfahren kontinuierlich, kosteneffizient und mit reproduzierbarer Bauteilqualität herstellen.

Zusammenfassend wurde mit dem Projekt 'Resin Film Pultrusion' ein kontinuierlicher Fertigungsprozess entwickelt, welcher bei geringer Komplexität kosteneffizient eine reproduzierbare Bauteilqualität erreicht.

Somit wurden folgende Ergebnisse erreicht:

Entwicklung einer Prozesskette zur kontinuierlichen Herstellung von Versteifungsprofilen

Entwicklung einer Preforming-Einheit

Entwicklung einer Imprägnierungs- und Konsolidierungseinheit

Fusion der Preforming-Einheit und der Konsolidierungseinheit in einer Prozesskette

Fertigung von Demonstratorprofilen in einem kontinuierlichen Prozess

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Inhalt

Forschungsthema

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Forschungsziel / Ergebnisse

3.1. Forschungsziel

3.2. Forschungsergebnisse

3.2.1. Definition der Referenzstruktur und Materialien

3.2.2. Entwicklung eines kontinuierlichen Preformingprozesses

3.2.3. Entwicklung eines kontinuierlichen Prozesses zur Konsolidierung

3.2.4. Zusammenführung in einer PRTM-Prozesskette

3.2.5. Dokumentation und Bewertung der Projektergebnisse

3.2.6. Geplante Arbeitspakete / umgesetzte Arbeitspakete

3.2.7. Angemessenheit und Notwendigkeit

3.3 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse

Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittlere Unternehmen (KMU)

4.1 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse

4.2 Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU

4.3 Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der FuE-Ergebnisse

Ergebnistransfer in die Wirtschaft

Durchführende Forschungsstelle(n)

Verzeichnisse

1. Forschungsthema

Resin Film Pultrusion (RFP) - Kosteneffiziente Lösung für eine automatisierte, kontinuierliche Fertigung von CFK-Versteifungsprofilen

2. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Faserverbundstrukturen verfügen im Vergleich zu metallischen Komponenten auf Grund der hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit über ein großes Leichtbaupotenzial, welches im Flugzeugbau und zunehmend auch im Automobilbau sowie in anderen Industriebereichen genutzt wird. Besonders im Hinblick auf eine steigende Nachfrage nach Elektromobilität lassen sich durch gezielte Leichtbaumaßnahmen die Fahrzeugmasse reduzieren und damit Fahrzeugreichweiten deutlich erhöhen. Um dieses Potenzial vollständig und wirtschaftlich auszuschöpfen, werden zunehmend komplexe, endlosfaserverstärkte Faserverbundstrukturen angestrebt um damit insbesondere metallische Komponenten zu substituieren. Dabei wird bereits heute ein großer Anteil von Faserverbundstrukturen bzw. deren Vorprodukte in KMU aus der Textilindustrie, bei Anlagenbauern und Verbundherstellern sowie Zulieferern für verschiedene Industriezweige hergestellt und verarbeitet.

Mit Hilfe von lastgerechten Faserverbundbauweisen können Strukturen mit hoher Biegesteifigkeit und -festigkeit realisiert werden. Darüber hinaus können diese ausgelegt werden, um im Schadensfall große Mengen Energie zu absorbieren. Auf Grund dieser Eigenschaften sind diese Strukturen für Anwendungen im Fahrzeugbau, im Gebäudebausektor oder Schiffbau vielseitig einsetzbar.

Der Einsatz von Strukturen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) in Großserien scheitert häufig an ihren Herstellungs- und Materialkosten. Je nach Industriezweig wird von einem Fertigungskostenanteil an den Gesamtbauteilkosten von 50 % bis zu etwa 70 % in der Luftfahrt ausgegangen. Um Bauteile aus diesem Werkstoff zu konkurrenzfähigen Kosten fertigen zu können, muss der Herstellungsprozess weitgehend automatisiert sein und eine geringe Fertigungszeit aufweisen. Weiterhin müssen die Materialkosten minimiert und dabei alle mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen erfüllt werden (vgl. [FLE96, HER03, SCH06]).

Crashstrukturen im Automobilbau (Seitenaufprall)

Im Personenverkehr gilt es generell einen Insassenschutz durch einen entsprechend geschützten Fahrgastraum mit einer minimalen Beschleunigung der Insassen bei einem Unfallereignis zu gewährleisten. Verschiedene Crashzonen von Pkw unterliegen dabei unterschiedlichen Regularien. Gemäß den Richtlinien der National Highway Traffic Association (NHTA) und dem European New Car Assessment Programme (Euro NCAP) müssen Seitenschweller-, Säulen- und Türstrukturen bei verschiedenen Unfallszenarien eine ausreichende Integrität der Fahrgastzelle und damit einen Schutz der Insassen gewährleisten.

Neben einem Seitenaufprall mit einer verformbaren Barriere zur Simulation eines Aufpralls eines Fahrzeugs ist ein seitlicher Pfahlaufprall von besonderer Bedeutung [NHT98, NCA13, FER09].

Die Karosserie, d.h. tragende Strukturelemente heutiger Pkw bestehen zu einem großen Anteil aus metallischen Komponenten. Auf Grund einer guten Verfügbarkeit und weitentwickelten, kosteneffizienten Fertigungsprozessen gepaart mit einer guten Fügbarkeit haben sich diese metallischen Strukturen bewährt [SWI13, FUC08, ORS07, BRE07].

Um heutigen Anforderungen an crashbeanspruchten Strukturen gerecht zu werden, kommen besonders für Seitenelemente, die nur einen geringen Deformationsweg bieten, hochfeste metallische Komponenten zum Einsatz. Diese bieten zu herkömmlichen Lösungen einen verbesserten Insassenschutz bei geringerer Masse. Neben diesen strukturellen Vorteilen ist eine Verarbeitung solch hochfester Strukturen jedoch besonders aufwendig und damit kostenintensiv [SWI13, FUC08, ORS07, LI03, GHA13].

[SWI13] untermauert diesen automobilen Trend der vergangenen zehn Jahre. Es lässt sich feststellen, dass durchschnittlich der Masseanteil an regulärem Stahl an der Pkw Gesamtmasse um etwa 8 % reduziert und maßgeblich durch hochfeste Stahllegierungen ersetzt wurde. Der durchschnittliche Zuwachs von Aluminium sowie Kunststoffen und Composite Strukturen ist mit weniger als 2 % zu beziffern. [SWI13]

Bei metallischen Energieabsorbern findet in der Regel eine Umwandlung durch elastische und plastische Verformung statt. Im Falle von insbesondere hochfesten Legierungen bieten diese neben einer hohen Biegesteifigkeit durch eine hohe Härte einen entsprechenden mechanischen Widerstand gegen ein lokales Eindringen eines Körpers [ALG00].

Es ist ein zunehmender Einsatz von Elementen zur Verstärkung in Fahrzeugquerrichtung zu verzeichnen. So wird eine Verwendung z.B. von (Metall)-Schaumverstärkungen und Mehrkammerprofilen untersucht [SMI12, SHA07, KIM02, JAN09, SAN98].

FV-Strukturen nutzen ein sukzessives Kollabieren der Struktur. Eine Energieumwandlung findet durch eine Abfolge von Zerstörungsmechanismen wie Faserbrüche, Rissbildung in der Matrix, Faser-Matrix Ablösungen und Delaminationen statt [FER09, JAC02]. Auf Grund einer geringen Festigkeit der Matrix weisen FV jedoch nur einen geringeren Widerstand gegen hohe punktuelle Belastungen auf.

Faserverbundstrukturen ermöglichen im Vergleich zu metallischen Bauteilen eine enorme Masseeinsparung und bieten gleichzeitig bei beanspruchungsgerechter Auslegung eine hohe Biege- und Zugfestigkeit sowie ein hohes Energieabsorptionsvermögen. Daher werden solchen FV-Strukturen zunehmend für automobile Anwendungen in Betracht gezogen.

Pkw-Türversteifungen wie in Abbildung 1 (links) zu sehen unterliegen engen baulichen Beschränkungen innerhalb der Tür. Eine besonders crash-beanspruchungsgerechte textile Struktur mir einer dreidimensionalen Faserverstärkung, d.h. auch in Richtung der Lasteinleitung beim Seitenaufprall ist dadurch häufig nicht realisierbar. Sowohl in Metallbauweise als auch neueste Entwicklungen für CFK-Türversteifungsprofile (siehe Abbildung 1, rechts) sind oft offene Profile.

Verschiedene Studien haben bereits das Potential von Faserverbundstrukturen für unterschiedliche automobile Komponenten wie u.a. auch Türversteifungsprofile gezeigt. Glasfaserverstärkte Kunststoff (GFK) Profile erreichen eine bis zu 20 % höhere Festigkeit bei 30-50 % Masseersparnis gegenüber einer Stahlvariante als Türprofil zum Schutz beim Seitenaufprall [LIM02], [CHE97]. Kohlenstofffaserverstärkte Strukturen bieten darüber hinaus bei erhöhten Energieaufnahmevermögen ein weiteres Masseeinsparungspotential von fast 30 % gegenüber GFK-Karosserie-Strukturen [LIU13, DLR12].

Abbildung 1: Automobiles Türversteifungsprofil in Aluminiumbauweise [AUT13] (links), Messedemonstrator der Firma Krauss Maffei eines CFK (Thermoplast) Türprofils (rechts)

Die maßgeblichen Lastfälle zur Strukturauslegung ergeben sich unabhängig vom eingesetzten Werkstoff im Crashfall. Gemäß des Prüfprogramms des European New Car Assessment Programme sind dies für seitliche automobile Strukturen Beanspruchungen, die sich u.a. aus den in Abbildung 2 dargestellten Seitenaufprallszenarios ergeben. Daher werden insbesondere biegesteife Strukturen mit hoher Festigkeit sowie im Crashfall mit hohem Energieabsorptionsvermögen benötigt, um ein Eindringen des Unfallgegners bzw. Prüfobjekts in den Fahrgastraum zu vermeiden [NHT98, NCA13, FER09].

Faserverbundstrukturen bieten bei beanspruchungsgerechter Auslegung eine Möglichkeit Strukturen mit hoher spezifischer Biegesteifigkeit und -festigkeit zu nutzen. Auf Grund der hohen mechanischen Eigenschaften bei geringer Dichte gepaart mit einem geringen Verzug und Schrumpf, hoher thermaler und chemischer Beständigkeit sowie schnellen Aushärtezyklen stellen z.B. Epoxidharze eine beanspruchungsgerechten Matrixwerkstoff dar. Diese weisen jedoch üblicherweise eine hohe Sprödigkeit und eine geringe Schlagzähigkeit auf [YAH13], [BUL14], [FLEM96].

Abbildung 2: Verschiedene Seitenaufprallszenarios gemäß NCAP [NCA13], in Anlehnung an seitlichen Pkw-Aufprall (links), in Anlehnung an seitlichen Pfahlaufprall (rechts)