Entwicklung von Faser-Metall-Laminaten aus Hybridtextilien (FibMet)

Schlussbericht zu IGF-Vorhaben Nr. 19300 N : Berichtszeitraum: 01.02.2017-31.07.2019

Sabrina Jenkel, Faserinstitut Bremen e. V.

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2020
• ISBN drucken: 9783750431393
• eBook-ISBN: 9783750447981
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Maschinenbau

Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung eines wirtschaftlichen Fertigungsverfahrens für Faser-Metall-Laminate (FML) aus vernähten Halbzeugen im Vakuuminfusionsverfahren sowie der Untersuchung der Laminateigenschaften. Dadurch sollte eine Möglichkeit geschaffen werden, diese Leichtbauwerkstoffe in breiteren Anwendungsfeldern außerhalb des Flugzeugbaus einzusetzen. Mithilfe von industriellen Stickmaschinen wurde daher zunächst die Möglichkeit untersucht, Metallfolien und Glasfasergelege zu einem einfach zu handhabenden Halbzeug zu vernähen. Die Verarbeitbarkeit im textilen Prozess ist dabei abhängig von der gewählten Metalllegierung. Folien aus unlegiertem Stahl (DC04) mit einer Dicke von 0, 1 mm konnten direkt mit der Nähnadel durchstochen und mit dem textilen Halbzeug vernäht werden. Folien aus der auch in kommerziell erhältlichen FML eingesetzten Aluminiumlegierung (EN AW-2024) mit einer Dicke von 0, 4 mm konnten hingegen nicht auf diesem Wege verarbeitet werden und wurden daher vor der Verarbeitung perforiert und anschließend auf der Stickmaschine positioniert. Nach dem Vernähen wurden die hergestellten Hybrid-Halbzeuge im Vakuuminfusionsverfahren mit der Epoxidharzmatrix durchtränkt und ausgehärtet. Die im Rahmen des textilen Prozesses in die Metallfolien eingebrachten Perforationen ermöglichen dabei die Durchtränkung des Laminats. Durch das Vernähen wird die Anbindung der einzelnen Lagen aneinander verstärkt und die Out-of-Plane-Eigenschaften der hergestellten Laminate größtenteils erhöht. Die In-Plane-Eigenschaften werden aufgrund der in das Metall eingebrachten Schädigungen und der erzeugten Faserverschiebungen mit steigender Stichdichte und Perforati-onsgröße jedoch verringert.Der Nachweis zur Herstellung von FML im beschriebenen Verfahren wurde erbracht. Der Einfluss der Nähparameter im textilen Halbzeug-Herstellungsprozess auf den Infusionsprozess sowie der resultierenden Laminateigenschaften wurde untersucht.

Zusammenfassung zum IGF-Vorhaben 19300 N / 1

Entwicklung von Faser-Metall-Laminaten aus Hybridtextilien (FibMet)

Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung eines wirtschaftlichen Fertigungsverfahrens für Faser-Metall-Laminate (FML) aus vernähten Halbzeugen im Vakuuminfusionsverfahren sowie der Untersuchung der Laminateigenschaften. Dadurch sollte eine Möglichkeit geschaffen werden, diese Leichtbauwerkstoffe in breiteren Anwendungsfeldern außerhalb des Flugzeugbaus einzusetzen.

Mithilfe von industriellen Stickmaschinen wurde daher zunächst die Möglichkeit untersucht, Metallfolien und Glasfasergelege zu einem einfach zu handhabenden Halbzeug zu vernähen. Die Verarbeitbarkeit im textilen Prozess ist dabei abhängig von der gewählten Metalllegierung. Folien aus unlegiertem Stahl (DC04) mit einer Dicke von 0,1 mm konnten direkt mit der Nähnadel durchstochen und mit dem textilen Halbzeug vernäht werden. Folien aus der auch in kommerziell erhältlichen FML eingesetzten Aluminiumlegierung (EN AW-2024) mit einer Dicke von 0,4 mm konnten hingegen nicht auf diesem Wege verarbeitet werden und wurden daher vor der Verarbeitung perforiert und anschließend auf der Stickmaschine positioniert.

Nach dem Vernähen wurden die hergestellten Hybrid-Halbzeuge im Vakuuminfusionsverfahren mit der Epoxidharzmatrix durchtränkt und ausgehärtet. Die im Rahmen des textilen Prozesses in die Metallfolien eingebrachten Perforationen ermöglichen dabei die Durchtränkung des Laminats.

Durch das Vernähen wird die Anbindung der einzelnen Lagen aneinander verstärkt und die Out-of-Plane-Eigenschaften der hergestellten Laminate größtenteils erhöht. Die In-Plane-Eigenschaften werden aufgrund der in das Metall eingebrachten Schädigungen und der erzeugten Faserverschiebungen mit steigender Stichdichte und Perforationsgröße jedoch verringert.

Der Nachweis zur Herstellung von FML im beschriebenen Verfahren wurde erbracht. Der Einfluss der Nähparameter im textilen Halbzeug-Herstellungsprozess auf den Infusionsprozess sowie der resultierenden Laminateigenschaften wurde untersucht.

Die Entwicklung des textilen Prozessschrittes und die Fertigung der Halbzeuge waren aufwändiger als zunächst angenommen, sodass der Aufwand zur Herstellung der Demonstratoren reduziert werden musste. Eine großflächige Plattenstruktur, die als Demonstrator in eine Kastenstruktur integriert werden sollte, konnte daher innerhalb der Projektlaufzeit nicht realisiert werden. Einzelne kleinere Demonstratorstrukturen zur Darstellung eines mehrfach gekrümmten Profils eines Automobil-Seitenaufprallträgers wurden hergestellt.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 19300 N / 1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür möchten wir an dieser Stelle herzlich danken.

Ein besonderer Dank gilt den Partnern aus den im PbA vertretenen Industrieunternehmen, die sich während der gesamten Projektlaufzeit und darüber hinaus mit fruchtbaren Diskussionen, Bereitstellung von Anlagen und materieller Unterstützung eingebracht haben.

Einige Untersuchungen wurden an einem Computertomographie-Gerät GE Phoenix v|tome|x m research eddition an der Universität Bremen durchgeführt. Daher soll an dieser Stelle für die finanzielle Unterstützung der Europäischen und Bremer Wirtschaftsförderung im Rahmen von „WERTFASER“ (QS 1005) gedankt werden.

Ferner möchte ich mich ganz herzlich bei den vielen Kolleginnen und Kollegen bedanken, die durch ihre Mitarbeit im Labor oder Technikum die Durchführung der umfangreichen Versuchsreihen erst ermöglicht haben oder im Rahmen vieler Diskussionsrunden wertvolle Anregungen geliefert haben.

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

Inhaltsverzeichnis

• Zusammenfassung zum IGF-Vorhaben 19300 N / 1
• Danksagung
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis

1. Ausgangssituation und Anlass für das Forschungsprojekt
   • 1.1 Faser-Metall-Laminate und Herstellung handelsüblicher Marken
   • 1.2 Alternative Herstellungsverfahren für Faser-Metall-Laminate
   • 1.3 Zusammenfassung der Problemstellung und Motivation für die Durchführung des Forschungsvorhabens
2. Forschungsziel und Lösungsweg
   • 2.1 Forschungsziel
     • 2.1.1 Angestrebte wissenschaftlich-technische Forschungsergebnisse
     • 2.1.2 Innovativer Beitrag und erwarteter wirtschaftlicher Nutzen der angestrebten Forschungsergebnisse
   • 2.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
     • 2.2.1 Textiler Prozess
     • 2.2.2 Vakuuminfusionsprozess
     • 2.2.3 Statistische Versuchsplanung
3. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
   • 3.1 Definition Referenzstruktur und Materialien (AP 1)
     • 3.1.1 Definition Referenzstruktur
     • 3.1.2 Materialauswahl
   • 3.2 Auslegung und Herstellung des Hybridhalbzeugs (AP 2)
     • 3.2.1 Konfektion der Textilien
     • 3.2.2 Vernähen der Verbunde
     • 3.2.3 Drapiereigenschaften
   • 3.3 Untersuchung des Infusionsverhaltens der Hybridtextilien (AP 3)
     • 3.3.1 Permeabilität des hybriden Verbundes
     • 3.3.2 Aushärtung
     • 3.3.3 Fertigung des Demonstrators
   • 3.4 Untersuchung der Laminateigenschaften (AP 4)
     • 3.4.1 Laboruntersuchungen (optische Analysen, Faservolumengehaltsbestimmung und mechanische Untersuchungen)
     • 3.4.2 REM, CT, Ultraschall
     • 3.4.3 Brandverhalten
     • 3.4.4 Demonstrator Test
   • 3.5 Dokumentation und Bewertung der Projektergebnisse (AP 5)
     • 3.5.1 Bewertung der Wirtschaftlichkeit
     • 3.5.2 Abschlussbericht
     • 3.5.3 Empfehlungen für die Weiterentwicklung
4. Bedeutung und Nutzen des Forschungsthemas, vor allem für KMU
   • 4.1 ...

Inhaltsverzeichnis

• Über das Buch
• Zusammenfassung zum IGF-Vorhaben 19300 N / 1
• Danksagung
• Inhaltsverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• 1. Ausgangssituation und Anlass für das Forschungsprojekt
• 2. Forschungsziel und Lösungsweg
• 3. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
• 4. Bedeutung und Nutzen des Forschungsthemas, vor allem für KMU
• Literaturverzeichnis
• Impressum