Resin Film Pultrusion

Kosteneffiziente Lösung für eine automatisierte, kontinuierliche Fertigung von CFK-Versteifungsprofilen

Lisa Müller

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2016
• ISBN drucken: 9783741291074
• eBook-ISBN: 9783743145184
• Auflage: 2
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Maschinenbau Allgemein

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.

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

1. Forschungsthema
2. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
3. 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
4. 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
5. Ergebnistransfer in die Wirtschaft
6. Durchführende Forschungsstelle(n)
7. 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 F...

Inhaltsverzeichnis

• Über das Buch
• Danksagung
• Zusammenfassung der Ergebnisse zum AiF-Forschungsvorhaben 18304 N/1
• Inhaltsverzeichnis
• 1. Forschungsthema
• 2. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
• 3. Forschungsziel / Ergebnisse
• 4. Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittlere Unternehmen (KMU)
• 5. Ergebnistransfer in die Wirtschaft
• 6. Durchführende Forschungsstelle(n)
• 7. Verzeichnisse
• Impressum