Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette

Jashari, Labinot

Titel: Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette

Zusammenfassung

Moderne Flugzeuge lassen auch hinsichtlich der beabsichtigten Leichtbauweisen einen vermehrten Einsatz an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als Werkstoff mit zukünftigen Gewichtsanteilen von über 60% erkennen. Die damit einhergehende Wirtschaftlichkeit des leichten Werkstoffes durch eine Senkung des Treibstoffverbrauchs wirkt den steigenden Treibstoffkosten entgegen und der damit verbundene Aspekt des geringeren CO2-Austsosses wirkt sich auch positiv auf den Umweltschutz aus. Zu den gewichtsspezifischen Eigenschaften zählen zudem die hohen Festigkeiten und Steifigkeiten von CFK. Auch das Forschungsprojekt HP CFK zielt darauf ab, einen Rumpfauschnitt eines Flugzeuges komplett aus CFK herzustellen. Die dafür angedachte Prozesskette zur Herstellung dieses Rumpfauschnittes muss zur optimalen Auslegung auf vorhandene prozessübergreifende Wechselwirkungen untersucht werden. Dadurch können die einzelnen Fertigungsprozesse aufeinander abgestimmt werden.
In dieser Arbeit werden die vorhandenen Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette durch Beschreibung der Prozesskette identifiziert. Im nächsten Schritt erfolgt während eines Workshops die Bewertung der erarbeiteten Wechselwirkungen, so dass die Auswahl der Wechselwirkung mit dem größten Einfluss auf die Bauteilqualität vorgenommen wird. Die anschließende Charakterisierung dieser Wechselwirkung beinhaltet die Untersuchung der in Wechselwirkung zueinander stehenden Fertigungsprozesse. Dabei werden Einflussgrößen beider Fertigungsprozesse auf ein gemeinsames Qualitätskriterium erarbeitet und modelliert. Diese gewonnen Ergebnisse werden bei der experimentellen Untersuchung der Wechselwirkung dazu genutzt, das Modell zu parametrieren und mittels der durchgeführten Versuche die Stärke des Einflusses auf das Qualitätskriterium zu ermitteln. Dazu werden aus den Prozessparametern Paarungen gebildet und diese untereinander variiert. Nach der Auswertung der durchgeführten Versuche liefert ein abschließender Vergleich der experimentell erzielten Ergebnisse mit den theoretischen Vorüberlegungen einen Überblick hinsichtlich einer Übereinstimmung des Einflusses der Einflussgrößen auf das Qualitätskriterium.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

03/2014

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... II

Tabellenverzeichnis ... III

Abkürzungsverzeichnis ... IV

Einleitung ... 1

Stand der Technik ... 2

2.1

Faserverbundkunststoffe... 2

2.1.1

Allgemeine Faserverbundwerkstoffe ... 2

2.1.2

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe ... 4

2.1.3

Duromere ... 6

2.1.4

Thermoplaste ... 9

2.1.5

Halbzeuge ... 10

2.2

Fertigungsverfahren ... 13

2.2.1

Handlaminieren ... 13

2.2.2

LCM-Verfahren ... 14

2.2.3

Tapelegen/ Automatic Fiber Placement ... 18

2.2.4

Autoklavtechnik ... 20

2.2.5

Pultrusion ... 21

2.2.6

Wickeltechnik ... 22

2.3

Prüfmethoden ... 24

2.4

Technologische Schnittstellen und Wechselwirkungen ... 26

Identifizierung von möglichen Wechselwirkungen ... 28

3.1

Prozesskette des Forschungsprojektes HP CFK ... 28

3.2

Identifizierung möglicher Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette ... 31

3.3

Auswahl der zu untersuchenden Wechselwirkung ... 42

Theoretische Analyse der Wechselwirkung Infusion/ Autoklav mit dem

Qualitätskriterium Poren ... 51

4.1

Poren in CFK-Bauteilen ... 51

Inhaltsverzeichnis

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

03/2014

4.2

Einfluss des Infusionsprozesses auf Poren ... 53

4.3

Einfluss des Autoklaven auf Poren ... 65

Experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung ... 79

5.1

Versuchsaufbau ... 79

5.1.1

Harzsystem ... 79

5.1.2

Verstärkungsfasern ... 80

5.1.3

Wärme- und Trockenofen ... 81

5.1.4

Vakuumaufbau ... 82

5.2

Versuchsdurchführung ... 85

5.3

Versuchsauswertung ... 92

5.3.1

Beobachtungen und Erkenntnisse der Versuchsdurchführung ... 92

5.3.2

Einfluss des Vakuumdruckes nach der Infusion ... 96

5.3.3

Einfluss des Druckgradienten während der Infusion ... 99

5.3.4

Einfluss der Luftfeuchtigkeit ... 101

5.3.5

Einfluss des Umgebungsdruckes beim Aushärten ... 105

5.3.6

Einfluss der Infusionstemperatur ... 106

5.3.7

Einfluss der Fadenorientierung ... 107

5.3.8

Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse ... 107

Abgleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen

Vorüberlegungen ... 109

6.1

Vergleich der Ergebnisse zu den Einflussgrößen Harzgeschwindigkeit/

Infusionstemperatur ... 109

6.2

Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Prozessdruck ... 110

6.3

Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Fadenorientierung ... 110

6.4

Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Vakuumdruck nach der

Infusion bzw. beim Aushärten ... 111

6.5

Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Luftfeuchtigkeit ... 112

6.6

Vergleich der Ergebnisse Umgebungsdruck beim Aushärten ... 113

6.7

Zusammenfassung ... 114

Zusammenfassung Ausblick ... 116

Literaturverzeichnis ... 118

Inhaltsverzeichnis

III

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

03/2014

Abbildungsverzeichnis

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

03/2014

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2-1: Anordnung von Duromeren ... 7

Abbildung 2-2: Anordnung von Thermoplasten ... 9

Abbildung 2-3: Anlagenaufbau zur Prepregherstellung ... 12

Abbildung 2-4: Fertigungsfolge beim Harzinjektionsverfahren ... 16

Abbildung 2-5: Lagenaufbau Harzinfusionsverfahren ... 17

Abbildung 2-6: Tapelegekopf... 18

Abbildung 2-7: AFP-Maschine bei der Bearbeitung gekrümmter Formen ... 19

Abbildung 2-8: Fertigungsfolge beim Resin Film Infusion ... 21

Abbildung 2-9: Verfahrensaufbau beim Nasswickeln ... 23

Abbildung 2-10: Aufbau einer Prozesskette ... 26

Abbildung 3-1: Demonstrator ... 29

Abbildung 3-2: Prozesskette zur Fertigung des Demonstrators ... 30

Abbildung 3-3: Betrachtete Fertigungsprozesse ... 31

Abbildung 3-4: Wechselwirkungen zwischen den fertigungsprozessen ... 41

Abbildung 4-1: Größenordnung von Poren ... 54

Abbildung 4-2: Porengehalt über Kapillarzahl ... 55

Abbildung 4-3: Einfluss von Harzfrontgeschwindigkeit und Harzviskosität auf das

Faserverbundbauteil ... 56

Abbildung 4-4: Geschwindigkeit von Mikroporen in Abhängigkeit der

Harzgeschwindigkeit ... 60

Abbildung 4-5: Porengehalt bei einem hohen Entlüftungsdruck von 1,0 bar (links)

und bei einem niedrigen Entlüftungsdruck von 0,1 bar (rechts) ... 61

Abbildung 4-6: Abhängigkeit der Permeabilität vom Faservolumengehalt ... 63

Abbildung 4-7: Anteil des Porengehaltes in Kett- und Schussfäden ... 65

Abbildung 4-8: Allgemeine Zyklen der Prozessgrößen beim Autoklavprozess ... 69

Abbildung 4-9: Porendruck in Abhängigkeit von Porendurchmesser und dem

Druck im Harz ... 70

Abbildungsverzeichnis

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Prozesskette

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Abbildung 4-10: Porengehalt über den prozentualen Anteil des vollen

Umgebungsdruckes beim Aushärten von 7 bar (100%) ... 71

Abbildung 4-11: Porengehalt in Abhängigkeit des Umgebungsdruckes beim

Aushärten ... 71

Abbildung 4-12: Verlauf von Porenradius, Temperatur, Druck und Viskosität

während des Autoklavzyklus zur Untersuchung der

Porenentwicklung ... 76

Abbildung 5-1: Harzviskosität von 977-20 für verschiedene Temperaturen ... 80

Abbildung 5-2: Glasfilamentgewebe aus E-Glas ... 81

Abbildung 5-3: Wärme- und Trockenofen ... 81

Abbildung 5-4: Legeschema multiaxialer Lagenaufbau ... 83

Abbildung 5-5: Markierung des Infusionsbereiches und nachfolgendes Eintrennen . 83

Abbildung 5-6: Auflegen des Lagenaufbaus auf die eingetrennte Fläche ... 84

Abbildung 5-7: Anbringen der Fließhilfe ... 84

Abbildung 5-8: Anbringen der PTFE-Schläuche für Zu- und Abfluss ... 84

Abbildung 5-9: Fertiger Vakuumaufbau ... 85

Abbildung 5-10: Endgültiger Versuchsaufbau ... 85

Abbildung 5-11: Versuchsaufbau zur Variation des Infusionsdruckes ... 88

Abbildung 5-12: Voranschreitende Harzfließfront während der Infusion Probe 16 ... 92

Abbildung 5-13: Vollständige Durchtränkung Probe 16 ... 93

Abbildung 5-14: Harzfließgeschwindigkeit ... 94

Abbildung 5-15: Harzverbrauch ... 94

Abbildung 5-16: Anordnung der Ultraschallmessung ... 95

Abbildung 5-17: Amplitudensignal während des Scans der Versuchsprobe ... 96

Abbildung 5-18: Unterseitenecho der Probe 4... 97

Abbildung 5-19: Unterseitenecho der Probe 5... 97

Abbildung 5-20: Unterseitenecho der Probe 15... 97

Abbildung 5-21: Rückwandecho der Probe 4 ... 98

Abbildung 5-22: Rückwandecho der Probe 15 ... 98

Abbildungsverzeichnis

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Abbildung 5-23: Rückwandecho zur Probendicke der Probe 4 ... 98

Abbildung 5-24: Rückwandecho zur Probendicke der Probe 22 ... 99

Abbildung 5-25: Unterseitenecho der Probe 23... 100

Abbildung 5-26: Oberseitenecho der Probe 23 ... 100

Abbildung 5-27: Porenverteilung Probe 11 (links) und Probe 21 (rechts) ... 102

Abbildung 5-28: Unterseitenecho der Probe 11... 102

Abbildung 5-29: Unterseitenecho der Probe 24... 102

Abbildung 5-30: Unterseitenecho der Probe 21... 103

Abbildung 5-31: Rückwandecho der Probe 11 ... 103

Abbildung 5-32: Rückwandecho der Probe 21 ... 103

Abbildung 5-33: Rückwandecho zur Probendicke der Probe 11 ... 104

Abbildung 5-34: Rückwandecho zur Probendicke der Probe 21 ... 104

Abbildung 5-35: Rückwandecho der Probe 16 ... 105

Abbildung 5-36: Rückwandecho zur Probendicke der Probe 16 ... 106

Tabellenverzeichnis

VII

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

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Tabellenverzeichnis

Tabelle 3-1: Qualitätskriterien der betrachteten Fertigungsprozesse ... 38

Tabelle 3-2: Bewertungskriterien und zugehöriges Punktesystem ... 43

Tabelle 3-3: Bewertungsmatrix der Fertigungsprozess AFP/ Autoklav ... 44

Tabelle 3-4: Prozessparameter der Fertigungsprozesse ... 45

Tabelle 3-5: Vollständige Bewertungsmatrix für die Wechselwirkung Porengehalt

AFP/ Autoklav ... 46

Tabelle 3-6 Erneuerte Bewertungsmatrix für das Qualitätskriterium

Faservolumengehalt infolge der Aushärtung im Autoklaven ... 47

Tabelle 3-7: Gegenüberstellung der einzelnen Qualitätskriterien ... 49

Tabelle 3-8: Ranking der Qualitätskriterien ... 50

Tabelle 3-9: Ranking der Wechselwirkungen ... 50

Tabelle 5-1: Untersuchte Prozessparameter und deren Ausprägungen ... 87

Tabelle 5-2: Versuchsplanmatrix ... 91

Tabelle 5-3: Einfluss der Prozessparameter auf Poren ... 108

Tabelle 6-1: Ergebnis des Abgleichs theoretisch beschriebener und experimentell

ermittelter Einflüsse auf Poren ... 115

Abkürzungsverzeichnis

VIII

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

03/2014

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung

Beschreibung

AFP

Automated Fiber Placement

CFK

Carbon- bzw. kohlenstofffaserverstärkter Kunst-

stoff

FVG

Faservolumengehalt

HP CFK

Hochleistungsproduktion von CKF-Strukturen

LCM

Liquid Composite Moulding

PAN

Polyacrylnitril

PTFE

Polytetrafluorethylen

RFI

Resin Film Infusion

RTM

Resin Transfer Moulding

VAP

Vacuum Assisted Process

VARI

Vacuum Assisted Resin Infusion

VARTM

Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding

1 Einleitung

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

03/2014

1 Einleitung

Moderne Flugzeuge lassen auch hinsichtlich der beabsichtigten Leichtbauweisen

einen vermehrten Einsatz an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als

Werkstoff mit zukünftigen Gewichtsanteilen von über 60% erkennen. Die damit ein-

hergehende Wirtschaftlichkeit des leichten Werkstoffes durch eine Senkung des

Treibstoffverbrauchs wirkt den steigenden Treibstoffkosten entgegen und der damit

verbundene Aspekt des geringeren CO

-Austsosses wirkt sich auch positiv auf den

Umweltschutz aus. Zu den gewichtsspezifischen Eigenschaften zählen zudem die

hohen Festigkeiten und Steifigkeiten von CFK. Auch das Forschungsprojekt HP CFK

zielt darauf ab, einen Rumpfauschnitt eines Flugzeuges komplett aus CFK herzustel-

len. Die dafür angedachte Prozesskette zur Herstellung dieses Rumpfauschnittes

muss zur optimalen Auslegung auf vorhandene prozessübergreifende Wechselwir-

kungen untersucht werden. Dadurch können die einzelnen Fertigungsprozesse auf-

einander abgestimmt werden.

In dieser Arbeit werden die vorhandenen Wechselwirkungen innerhalb der Prozess-

kette durch Beschreibung der Prozesskette identifiziert. Im nächsten Schritt erfolgt

während eines Workshops die Bewertung der erarbeiteten Wechselwirkungen, so

dass die Auswahl der Wechselwirkung mit dem größten Einfluss auf die Bauteilquali-

tät vorgenommen wird. Die anschließende Charakterisierung dieser Wechselwirkung

beinhaltet die Untersuchung der in Wechselwirkung zueinander stehenden Ferti-

gungsprozesse. Dabei werden Einflussgrößen beider Fertigungsprozesse auf ein

gemeinsames Qualitätskriterium erarbeitet und modelliert. Diese gewonnen Ergeb-

nisse werden bei der experimentellen Untersuchung der Wechselwirkung dazu ge-

nutzt, das Modell zu parametrieren und mittels der durchgeführten Versuche die

Stärke des Einflusses auf das Qualitätskriterium zu ermitteln. Dazu werden aus den

Prozessparametern Paarungen gebildet und diese untereinander variiert. Nach der

Auswertung der durchgeführten Versuche liefert ein abschließender Vergleich der

experimentell erzielten Ergebnisse mit den theoretischen Vorüberlegungen einen

Überblick hinsichtlich einer Übereinstimmung des Einflusses der Einflussgrößen auf

das Qualitätskriterium.

2 Stand der Technik

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

Prozesskette

03/2014

2 Stand der Technik

Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Grundlagen der Verbundwerkstoffe, insbe-

sondere der kohlenfaserverstärkten Kunststoffe(CFK) und in die verschiedenen Fer-

tigungsverfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen. Dabei werden zum besseren

Verständnis auch die Unterschiede zwischen Duroplasten und Thermoplasten her-

vorgehoben. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird auf die Thermoplaste keine Berück-

sichtigung genommen, da ausschließlich der Einsatz von duromeren Harzsystemen

erfolgt. Die angeführten Prüfmethoden geben zudem einen Einblick der Möglichkei-

ten zur Bewertung der Bauteilqualität. Zum Ende des Kapitels wird dann noch ein

Augenmerk auf die Begriffe der technologischen Schnittstellen und die der Wech-

selwirkungen geworfen.

2.1 Faserverbundkunststoffe

Hier wird über die Beschreibung allgemeiner Faserverbundkunststoffe anschließend

näher auf die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe eingegangen.

2.1.1 Allgemeine

Faserverbundwerkstoffe

Bei einem Verbundwerkstoff handelt es sich um einen Mehrphasenwerkstoff, der sich

aus einer kontinuierlichen Phase, der Matrix und einer oder mehreren diskontinuierli-

chen Phasen in Form von Verstärkungskomponenten zusammensetzt [HOR01]. Da-

bei werden die Verstärkungskomponenten in dem formgebenden Grundwerkstoff

eingebettet und durch Wechselwirkungen der beteiligten Komponenten werden Ei-

genschaften erzielt, die keine der Ausgangsstoffe besitzen oder die höher sind als

die Eigenschaften der Ausgangsstoffe [FIE09]. Faserverstärkte Kunststoffe sind da-

bei eine Untergruppe der Verbundwerkstoffe [AVK10]. Bei Faserverbundkunststoffen

kommen temperaturbeständige, hochfeste und hochsteife Fasern als Verstärkungs-

komponenten zum Einsatz, die in einer mechanisch und thermisch hochbelastbaren

polymeren Matrix zumeist in Hauptbelastungsrichtung angeordnet werden [BÄT92].

Die eingebrachten Fasern können dabei entweder einzeln in Kurz- oder Endlosfasern

oder durch Verarbeitung der Fasern zu Halbzeugen als Gewebe und Gestricke in der

Matrix vorliegen. Zu den kennzeichnenden Eigenschaften von Faserverbundwerk-

stoffen zählen unter anderem [R&G99]:

2 Stand der Technik

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x hohe

Steifigkeit

x hohe

Festigkeit

x hohe

Schwingfestigkeit

x geringe

Wärmeausdehnung

x gute

Formstabilität

x günstiges

Schlagverhalten

x Korrosionsbeständigkeit

x richtungsabhängige

Eigenschaften

x stufenweises

Versagen

Die Matrix und die Verstärkungsfasern erfüllen dabei unterschiedliche Aufgaben mit-

tels derer die geforderten Eigenschaften des Faserverbundkunststoffes erzielt wer-

den. Zu den Hauptaufgaben der Matrix zählen die Fixierung der Fasern in der ge-

wünschten geometrischen Anordnung, die Übertragung der Kräfte auf die Fasern

und auch zwischen den Fasern, das Stützen der Fasern bei Druckbeanspruchung

und der Schutz der Fasern vor Einwirkung von Umgebungsmedien [BÄT92]. Die Fa-

sern dagegen übernehmen den wesentlichen Teil der Lastübertragung und bestim-

men damit die maßgebenden mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerk-

stoffes wie die Zug- und Biegefestigkeit, Energieaufnahmefähigkeit, Duktilität und

Schlagzähigkeit. Das äußere Erscheinungsbild des Faserverbundwerkstoffes wie

Farbe oder Oberflächenstruktur wird zudem auch durch die Matrix bestimmt. Für ein

optimales Zusammenwirken der Fasern und der Matrix innerhalb des Verbundwerk-

stoffes müssen die Fasern eine höhere Bruchfestigkeit und ein höheres E-Modul als

die Matrix haben und die Matrix dagegen sollte eine höhere Bruchdehnung als die

Fasern vorweisen [DEH05]. Der Werkstoffzustand wird dabei erst im Bauteil erreicht,

da die Verstärkungsfasern in eine flüssige Reaktionsmasse eingebettet werden, wel-

che mit der Zeit aushärtet und somit für eine Verankerung der Fasern in dem so ent-

standenen festen Formstoff sorgt [R&G99]. Eigenfestigkeit des Fasermaterials, Fa-

sergehalt, Form der Fasern, Faserorientierung, Haftung zwischen Faser und Matrix

sowie die Herstellungsverfahren des Werkstoffverbundes entscheiden über die Art

und das Ausmaß der Verstärkung infolge der Verstärkungsfasern [DEH05].

Bei der Form der Fasern wird zwischen Kurz- und Endlosfasern unterschieden, die

jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Kurzfasern sind stochastisch verteilt und er-

möglichen die Einstellung isotroper und somit richtungsunabhängiger Eigenschaften

2 Stand der Technik

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Prozesskette

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des Verbundes und weisen eine geringere Bruchwahrscheinlichkeit gegenüber End-

losfasern auf. Der Nachteil zeigt sich in den nicht so hohen Festigkeiten und Elastizi-

tätsmodulen wie bei Endlosfasern und kann bei hohen Fasergehalten zudem das

Einbringen der Fasern in die Matrix erschweren. Die eingebrachten Kurz- oder Lang-

fasern können entweder aus Einzelfasern in Form von Filamenten oder aus einem

Bündel zusammengefasster Einzelfasern, sogenannten Rovings bestehen [HOR01,

DEH05]. Endlosfasern dagegen machen den Einfluss von festigkeitsmindernden

Scherspannungskonzentrationen an den Faserenden, die bei der Übertragung der

einwirkenden Kräfte an der Faser-Matrix-Grenzfläche auftreten bedeutungslos und

kommen somit für Bauteile die späteren Dauerlasten oder schwingender Belastung

ausgesetzt sind zum Einsatz [AVK10, HOR01]. Werden die Endlosfasern bei gege-

benem Faser- und Matrixmaterial und bei einem festgelegten Fasergehalt alle paral-

lel angeordnet, so ergeben sich optimale mechanische Eigenschaften, was aber

gleichzeitig zu starken richtungsabhängigen Verbundeigenschaften führt. Soll der

Faserverbundwerkstoff nicht nur Belastungen in einer sondern auch in zwei oder drei

Richtungen standhalten können, so kann der Anisotropie durch die Anordnung der

unidirektionalen Faserverbundwerkstoffschichten in verschiedenen Winkeln überei-

nander entgegengewirkt werden. Das sind dann quasiisotrope Werkstoffverbunde.

Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die Festigkeitswerte aufgrund der 45°- und

90°-Lagen nur etwa zu einem Drittel der Festigkeitswerte des unidirektionalen Ver-

bundes entsprechen [HOR01]. Faserverbundwerkstoffe sind mit ihren Materialeigen-

schaften und ihrer Leistungsfähigkeit vielfältig einsetzbar, wobei deren Einsatzgebiet

und auch Anwendungszweck auch vom gewählten Fasermaterial abhängt. Als Fa-

sern kommen dabei überwiegend Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern zum Einsatz

[FIE09]. Während Kohlenstoffasern höhere Zugfestigkeiten oder Biegefestigkeiten

als Glas- oder Aramidfasern besitzen, haben diese eine höhere Schlagzähigkeit als

Kohlenstofffasern. Aramidfasern überzeugen zudem mit ihrer geringen Dichte und

Glasfasern sind kostengünstig [CTM13].

2.1.2 Kohlenstofffaserverstärkte

Kunststoffe

Die sehr guten in großen Bereichen variierbaren mechanischen Eigenschaften kom-

biniert mit der geringen Dichte ermöglichen den Kohlenstofffasern eine herausste-

chende Stellung als Verstärkungsfaser [Fied´09]. Einige kennzeichnende Eigen-

schaften der Kohlenstofffaser sind [DEH05]:

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x verhalten sich in Faserrichtung linear-elastisch

x Zugfestigkeit zwischen 2000 und 6000 N/mm²

x E-Modul zwischen 150 und 500 kN/mm²

x Festigkeitssteigerung mit zunehmender Temperatur und einem Maximum zwi-

schen 1200-1600 °C

x thermisch stabil mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Fa-

serrichtung, der bei

0,5 10

liegt

x geringer elektrischer Widerstand

x chemisch weitgehend inert

x unschmelzbar

x durchlässig

für

Röntgenstrahlen

x biokompatibel

Die Einzelfasern weisen einen runden Querschnitt und eine glatte, strukturlose Ober-

fläche mit einem Faserdurchmesser, der meist zwischen 5-10 µm liegt auf. Die Aus-

gangsmaterialien von C-Fasern sind Polyacrylnitril(PAN), Pech oder Zellulose. Der

Großteil der heute gebräuchlichen Hochleistungsfasern wird jedoch aus PAN gefer-

tigt. Bei der Herstellung wird durch eine Reaktion des Ausgangsmaterials in einem

oxidierenden Medium im ersten Schritt Wasserstoff abgespalten und es erfolgt eine

Vororientierung des Moleküls in einer Pyridin-Ringanordnung, was die Faser un-

schmelzbar und unbrennbar macht. Im zweiten Schritt wird bei einer Karbonisierung

Cyanwasserstoff und Stickstoff abgespalten und es findet eine Zusammenlagerung

der Pyridinketten zu molekularen Bändern statt, wodurch ein Kohlenstoffanteil von 96

bis 98 Gew.-% erreicht wird. Zudem wird durch unterschiedliche Temperaturen bei

der Karbonisierung eine unterschiedlich starke Graphitstruktur ausgebildet, die mit

einigen Gitterfehlstellen die Oberfläche der C-Faser prägt. Diese Gitterfehlstellen in

den C-Atomen stellen Zonen erhöhter Energie und Reaktivität dar. Mit der Höhe der

Temperatur bei der Karbonisierung steigt die Perfektion der Graphitisierung, wodurch

diese Fehlstellen ausgeheilt werden. Das hat eine Verringerung der Angriffsmöglich-

keiten durch die Matrix zur Folge und führt zudem dazu, dass die Faser/Matrix-

Haftung sinkt [FIE09, AVK10]. Infolge der unterschiedlichen Temperaturen bei der

Karbonisierung findet eine Unterscheidung der C-Fasern in

x HT(high tenacit)-Fasern=hochfeste Fasern (1200-1500 °C)

x IM(intermediate modul)-Fasern=Zwischenmodulfasern (1500-1800 °C)

x HM(high modul)- bzw. UHM(ultra high modul)-Fasern (bis zu 3000 °C)

statt [DEH05].

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Somit lassen sich nicht nur die elastischen, sondern auch die elektrischen und ther-

mischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnungskoeffizient der Koh-

lenstofffasern in einem großen Bereich variieren. Dadurch ist die Herstellung von

kohlenstofffaser- bzw. carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) möglich, die keine

thermische Ausdehnung besitzen und sich formstabil gegenüber Temperatur-

schwankungen verhalten. Der sehr geringe thermische Ausdehnungskoeffizient wie-

derum verringert die thermische Ausdehnung der Matrix. Diese Eigenschaften haben

daher ihren Nutzen für Anwendungen in der Raumfahrt oder aber auch im allgemei-

nen Maschinenbau für spezielle Anwendungen [HOR01, FIE09].

Damit aber ein optimales Zusammenspiel von Matrix und Faser und somit ein hohes

Niveau der mechanischen Eigenschaften erzielt wird, muss eine hohe Güte der

Grenzflächenhaftung zwischen Matrix und Faser vorhanden sein. Diese Grenz-

schicht bestimmt die Beanspruchungsübertragung zwischen den beteiligten Kompo-

nenten und damit auch die Effizienz der Verstärkungsfasern. Die Einhaltung dieser

Güte kann durch eine große Anzahl an Oberflächenmodifikationen erreicht werden

[DEH05, AVK10]. Dazu zählen einerseits nichtoxidative Verfahren, wodurch entwe-

der die Oberfläche vergrößert, eine gezielte Veränderung der Schicht zwischen Fa-

ser und Matrix bewirkt oder durch Beschichten der Faser mit Pyrokohlenstoff die me-

chanische Verzahnung erhöht wird. Bei oxidativen Verfahren dagegen wird durch

eine chemische Behandlung durch Bildung reaktiver Gruppen an der Faseroberflä-

che, die mit reaktiven Gruppen aus der Matrix reagieren die Benetzbarkeit der Ober-

fläche der Kohlenstofffaser erhöht. Bei den oxidativen Verfahren jedoch sollte sehr

kontrolliert und mit Vorsicht vorgegangen werden, da es durch einen oxidativen Ab-

bau zu Kerbstellen an der Faseroberfläche kommen kann, welche eine Verringerung

der Faserfestigkeit nach sich ziehen [AVK10]. Die so entstandenen Haftungsmecha-

nismen sind dann entweder kovalente Bindungen, chemische Bindungen oder me-

chanische Bindungen bei denen die Matrix in die Riefen und Poren der Faseroberflä-

che eingreift [HOR01].

2.1.3 Duromere

Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen aus einem polymeren Matrixmaterial

wird zwischen den Einsatz von Duromeren bzw. Duroplasten und Thermoplasten

unterschieden, die zusammen mit Elastomeren die drei unterschiedlichen Gruppen

2 Stand der Technik

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der Kunststoffe bilden. Duromere kennzeichnen sich dadurch, dass deren Moleküle

in allen Richtungen fest miteinander verbunden sind und sie somit ein 3D-Netzwerk

bilden(Abbildung 2-1). Sie zählen zu den härtbaren Kunststoffen, die plastisch nicht

wieder verformt werden können. Aufgrund der starken Vernetzung ihrer Moleküle

sind Duromere weder schweißbar noch schmelzbar und somit auch unlöslich

[DEH05].

Abbildung 2-1: Anordnung von Duromeren [BAC08]

Die Herstellung der zum Einsatz kommenden Matrixharze aus Duromeren erfolgt

entweder über Polymerisation oder Polykondensation bzw. Polyaddition. Die Duro-

mere liegen bei der Verarbeitung als flüssige Reaktionsmasse vor, mittels derer die

Verstärkungsfasern getränkt werden und durch das Härten dieser Reaktionsmasse

werden die Verstärkungsfasern in dem so entstandenen Formstoff fest eingebunden.

Dabei werden den Duromeren durch Polymerisation infolge einer radikalischen Aus-

härtung positive Eigenschaften wie kurze Härtezeiten bei der Verarbeitung mitgege-

ben. Dagegen ist eine verringerte Zähigkeit nachteilig anderen Duromeren gegen-

über und auch im Vergleich zu Additionsharzen weisen Polymerisationsharze

schlechtere Eigenschaften auf. Zur Reduzierung der Aushärtezeit bei der Verarbei-

tung müssen den Reaktionsharzen Härter zugemischt werden, welche für einen

schnelleren Übergang der flüssigen Reaktionsmassen in dreidimensional vernetzte

Produkte sorgen. Ohne die Härter kann es ansonsten auch zu keiner Vernetzungs-

reaktion kommen. Oftmals ist auch die Rede von Laminier- bzw. Imprägnierharzen

anstatt von Reaktionsharzen [BÄT92]. Zu den so entstandenen Untergruppen der

Duromere zählen zum einen die ungesättigten Polyesterharze, die durch die Poly-

merisation entstehen und aufgrund der günstigen Materialkosten auf der einen Seite

und der niedrigen Dichte sowie ihres mechanischen, chemischen und thermischen

Leistungsprofils auf der anderen Seite für vielseitige Anwendungen zum Einsatz

2 Stand der Technik

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03/2014

kommen [AVK10]. Die aber mit Abstand wichtigste Untergruppe der Duromere für

Hochleistungs-Faserverbundbauteile stellen jedoch die Epoxidharze dar, die durch

Polyaddition gebildet werden. Aufgrund ihrer besseren mechanischen und thermi-

schen Eigenschaften wie höhere Wärmebeständigkeit sowie der niedrigeren Viskosi-

tät und daher der besseren Verarbeitbarkeit können sie für hochwertige Anwendun-

gen wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt und dem Maschinenbau einge-

setzt werden. Selbst nach mehreren zehntausend Lastwechseln weisen Epoxidharze

den geringsten Festigkeitsabfall und damit die größte dynamische Festigkeit auf.

Nachteilig sind der hohe Preis und die Neigung der Feuchtigkeitsaufnahme. Weitere

Untergruppen stellen Polyurethan und die Phenolharze dar, wobei die Phenolharze

ein ausgezeichnetes Brandverhalten aufweisen und in Verbindung mit ihren hohen

Materialkosten zumeist Anwendung in der Luft- und Raumfahrt finden [BÄT92,

FIE09, R&G99]. Die Verarbeitung von Duromeren ist mit relativ einfach Prozessen

und Werkzeugen realisierbar [FIE09]. Da aufgrund der Vernetzungsstruktur der

Duromere eine thermische Umformung nach der Aushärtung nicht mehr möglich ist,

erfolgt die Formgebung schon vor der Aushärtung und wird im ausgehärteten Zu-

stand beibehalten [HOR01]. Bei der Aushärtung werden die Molekülketten vernetzt

indem eine Gelbildung stattfindet die zeitgleich von einer Glasbildung durch ein Ein-

frieren der Segmentbewegungen begleitet wird. Die Aushärtung dagegen ist tempe-

ratur- und zeitabhängig, so dass sie viel Zeit benötigt. Sie bedarf zusätzlich einer Er-

wärmung wie auch einer aufwendigen Prozessüberwachung. Bei der Fertigung von

Faserverbundkunststoffen ist der Aushärtegrad eine entscheidende Größe. Durch

eine anforderungsgerechte und kostensparende Anpassung der Fertigungszyklen

infolge der Auslegung von benötigten Materialien und Werkzeugen kann durch den

Aushärtegrad die Einhaltung der geforderten Qualitätsstandards gewährleistet wer-

den. Mittels einer Wärmezufuhr wird eine Verarbeitung des Duromers erst möglich,

wobei abhängig vom eingesetzten Duromer eine bestimmte Glasübergangstempera-

tur erzielt werden muss. Diese Glasübergangstemperatur

, beschreibt die Tempe-

ratur bei der eine Zustandsänderung vom glasartigen, eingefrorenen in den gummi-

elastischen Bereich stattfindet und eine Entropiezunahme und somit eine Bewegung

der Segmente hervorgerufen wird. Diese wird von einer Wärmefreisetzung begleitet.

Liegen die Verarbeitungstemperaturen knapp unterhalb der Zersetzungstemperatur

des Duromers, so muss für eine geeignete Wärmeabfuhr gesorgt werden, damit es

infolge der Wärmeverteilung nicht zu einer Zersetzung des Duromers kommt

2 Stand der Technik

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-

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[Fied´09]. Über den Aushärtegrad lässt sich die Sprödigkeit und die Wärmeformbe-

ständigkeit einstellen, welche bei höherem Aushärtegrad höhere Werte aufweisen.

Jedoch findet mit zu hohem Aushärtegrad auch eine Abnahme der Bruchdehnung

des Faserverbundbauteiles statt [HOR01].

2.1.4 Thermoplaste

Bei Thermoplasten dagegen handelt es sich um sehr lange und orientierungslos an-

geordnete Moleküle (Abbildung 2-2). Unter Wärme zeigen sie ein plastisches Verhal-

ten und lassen sich daher wiederholt verformen. Aufgrund der kaum vorhandenen

Vernetzung der Moleküle sind Thermoplaste schweißbar und durch dieses Ein-

schmelzen wieder verwendbar, was ein Recycling dieser Werkstoffgruppe zulässt

[DEH05]. Weitere positive Eigenschaften sind eine hohe Thermostabilität, eine hohe

Duktilität, eine unbegrenzte Lagerfähigkeit sowie eine geringe Feuchteaufnahme. Die

kurze Verarbeitungszeit macht zudem kürzere Zykluszeiten bei der Halbzeug- bzw.

Bauteilherstellung möglich. Als nachteilig ist eine hohe Viskosität anzuführen,

wodurch höhere Verarbeitungstemperaturen erforderlich sind um diese Viskosität in

einen verarbeitungsfähigen Zustand überführen zu können. Diese Viskosität bei

Thermoplasten ist aber dennoch viel höher als bei Duroplasten. Zudem sind Ther-

moplaste sehr teuer und weisen neben einer fehlenden Klebrigkeit auch ein unbe-

kanntes Langzeitverhalten vor [BÄT92].

Abbildung 2-2: Anordnung von Thermoplasten [BAC08]

Im Vergleich zu Duromeren haben Thermoplaste eine bessere Ausnutzung der Fa-

serfestigkeit unter Zugspannung aufgrund der höheren Dehnung, eine höhere

Schlagzähigkeit und zeigen zudem eine Kriechneigung bei höheren Temperaturen.

Desweiteren gestaltet sich die Imprägnierung der Fasern aufgrund der hohen Visko-

sität schwieriger [HOR01]. Die am meisten eingesetzte Untergruppe der langfaser-

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verstärkten Thermoplaste bildet Polypropylen gefolgt von Polyamiden mit einer nicht

allzu entscheidenden Bedeutung der anderen thermoplastischen Untergruppen. Fa-

serverbundbauteile mit einer thermoplastischen Matrix stellen insgesamt eine sehr

interessante Materialgruppe dar, da ihr werkstofft- und verfahrenstechnisches Ent-

wicklungspotenzial hohe Wachstumsraten verspricht, so dass sie unter anderem für

sehr anspruchsvolle Aufgaben in der Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau ge-

eignet sind [AVK10]. Auch bei Thermoplasten kann die Glasübergangs- oder auch

die Kristallisationstemperatur als Ansatzpunkt zur Einleitung von Bewegung bei der

Erwärmung bzw. der Spannungsentwicklung bei der Abkühlung herangezogen wer-

den [FIE09].

2.1.5 Halbzeuge

Die bei der Verarbeitung zum Einsatz kommenden Komponenten werden entweder

direkt zum Endprodukt verarbeitet oder liegen als Halbzeug vor, die dann weiterver-

arbeitet werden. Abhängig vom vorgesehenen Fertigungsverfahren können die ein-

zelnen Fasern entweder nur auf Spulen zu einzelnen Bündeln bestehend oder aus

vielen Endlosfilamenten aufgewickelt sein. Sie werden zudem zu flächigen textilen

Halbzeugen wie Geweben, Geflechten oder Gelegen weiterverarbeitet. Diese textilen

Verstärkungshalbzeuge können auf das Bauteil und auch auf das Anforderungsprofil

angepasst werden. Zur Erzielung komplexer Bauteilgeometrien erfolgt die Verarbei-

tung zu Preforms, die aus zugeschnittenen Halbzeugen bestehen und durch speziel-

le Fügeverfahren miteinander verbunden sind [AVK10]. Eine weitere Möglichkeit ist

die Herstellung von Prepregs. Dabei handelt es sich um mit Polymerharz vorgetränk-

te und vorimprägnierte Halbzeuge, die anschließend bis zu ihrer Weiterverarbeitung

bis zu sechs Monate bei -18 °C gelagert werden können [FIE09]. Die Lagerung bei

so tiefen Temperaturen sorgt für eine Verlangsamung einer kontinuierlich fortschrei-

tenden Aushärtung bzw. Alterung der Matrix im Prepreg [Klein´08]. Nachfolgend

werden die unterschiedlichen Halbzeuge kurz beschrieben.

Gewebe bestehen aus sich rechtwinklig verkreuzenden Fäden zweier Fadensyste-

me, die Kett- und Schussfäden genannt werden. Die Art und Verkreuzung der Fäden

kennzeichnet die Bindung, die in den drei Grundtypen Leinwand-, Atlas- und Köper-

bindung unterteilt wird [ERM07, PAR00]. Die Bindung gibt die Anzahl der stattfinde-

nen Verkreuzungen innerhalb einer bestimmten Länge an. Indem den Geweben auf

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diese Art ein wellenförmiger Fadenverlauf gegeben wird, ist mit einer Verschlechte-

rung der mechanischen Eigenschaften der Gewebe im Vergleich zu unidirektionalen

Verstärkungen, bei denen die Endlosfasern nur in Belastungsrichtung gestreckt vor-

liegen, zu rechnen. Eine geeignete Auswahl des Bindungstypen sowie der Kett- und

Schussfadendichte verringert die Fadenkrümmung, so dass die Einbußen in den me-

chanischen Eigenschaften nicht so stark sind [AVK10, RUD97].

Bei Geflechten dagegen findet die Verkreuzung der Flechtfäden in schräger Richtung

statt und es entsteht ein geschlossenes Warenbild. Dabei sollte bei der Herstellung

die Fadenspannung aufrecht gehalten werden, die durch die ständige Bewegung der

Spulen zum Flechtmittelpunkt, dem Flechtauge, hin und wieder davon weg variieren

kann. Diesem Problem kann mit Gewichts- und Federsystemen entgegengewirkt

werden, wodurch eine Kompensation der unterschiedlichen Fadenlängen und somit

ein gut ausgebildetes Verstärkungshalbzeug erzielt wird [AVK10].

Gelege bestehen aus einer oder mehreren parallelen Lagen gestreckter Fäden, die

alle unidirektional oder in verschiedenen Orientierungen angeordnet sein können

[Erm´07]. Bei mehreren Lagen erfolgt die Fixierung der einzelnen Lagen über ein

Maschinensystem oder durch chemische Bindungssysteme. Im Vergleich zu Gewe-

ben und Gelegen sind die Fäden gestreckt, was zu besseren mechanischen Eigen-

schaften führt. Solche Multiaxialgelege spielen in der Luftfahrt eine wichtige Rolle

und ermöglichen die Herstellung von qualitativ hochwertigen Laminaten [AVK10].

Die mit Reaktionsharz vorgetränkten Fasergebilde (Prepregs) werden großtechnisch

vom Halbzeughersteller zur Verfügung gestellt und ermöglichen eine exakte Fa-

serausrichtung und somit eine optimale Ausnutzung der Fasereigenschaften

[Klein´08]. In Abbildung 2-3 ist der schematische Aufbau einer Anlage zur Prepreg-

herstellung mit einer duromeren Matrix gezeigt. Hier erfolgt die Imprägnierung der

Fasern mittels Harzfolien, welche über Walzen temperiert werden. Dadurch wird zum

einen die für die Imprägnierung günstige Harzviskosität eingestellt und durch den

Walzendruck wird die Imprägnierung zudem unterstützt.

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Abbildung 2-3: Anlagenaufbau zur Prepregherstellung [HUB10]

In einem vorangegangenen Schritt werden Trägerfolien mit der für den Einsatz beab-

sichtigten Matrix unter Temperaturzuführung beschichtet und zwischengelagert.

Nachdem Harz und Fasern zusammengebracht werden, erfolgt eine Kühlung und

eine Aufwicklung der Prepregfolien, die dann bei erreichen einer vorbestimmten Län-

ge abgeschnitten werden. Dieser Herstellungsprozess wird Schmelzharzimprägnie-

rung genannt und ist gut reproduzierbar. Er ermöglicht zudem eine genaue Einstel-

lung des Faservolumengehaltes der Prepregs, der ungefähr bei 60% liegt. Die Pre-

pregdicken liegen dabei im Bereich von 0,125-0,250 mm, um eine gute Faser-Matrix-

Haftung zu erzielen und somit die Ausbildung faser- bzw. matrixreichen Zonen zu

vermeiden [AVK10].

Weiterhin besteht die Möglichkeit neben den Hauptkomponenten Matrix und Faser

auch die Integration anderer Materialien wie beispielsweise Faservliesen, Beschich-

tungen oder Schäumen zur weiteren Verbesserung des Leistungsprofils der Faser-

verbundkunststoffe [AVK10].

Neben den Halbzeugen für duromere Faserverbundkunststoffe gibt es auch Halb-

zeuge für thermoplastische Faserverbundkunststoffe. Zu denen zählen neben den

thermoplastischen Prepregs, die vorimprägnierte Verstärkungshalbzeuge darstellen,

auch Organobleche. Diese sind vollständig imprägniert und konsolidiert und können

entweder aus den Prepregs oder auch direkt aus den Verstärkungsfasern und dem

Thermoplast hergestellt werden. Die Konsolidierung bzw. Kompaktierung erfolgt ent-

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weder im Autoklaven oder in einer Presse. Weiterhin existieren die nicht vorkonsoli-

dierten Halbzeuge, bei denen die Verstärkungsfasern mit einem in Pulverform oder

Faserform vorliegendem Thermoplastpolymer imprägniert werden. Durch Aufheizen

dieses Verbundes erfolgt die Imprägnierung der Faserfilamente mit der geschmolze-

nen Matrix, dem der Konsolidierungsschritt folgt [ERM07].

Entscheidend für die Weiterverarbeitung der Halbzeuge ist deren Drapierbarkeit.

Diese gibt an wie stark die Halbzeuge verformt werden können, ohne dass zum Bei-

spiel eine Faltenbildung im Material hervorgerufen wird. Dabei sind die textilen Halb-

zeuge drapierfähiger als die Prepregs, so dass bei Prepregs eine Drapierbarkeit teil-

weise nur durch Erwärmung mit einhergehender Reduktion der Harzviskosität mög-

lich ist. Daher eignen sich Prepregs für Bauteile mit einfachen Geometrien wie zum

Beispiel den Aufbau von dünnwändigen Schalenstrukturen [AVK10].

2.2 Fertigungsverfahren

Bei der Herstellung von CFK-Bauteilen bzw. Faserverbundwerkstoffen allgemein

richtet sich das einzusetzende Fertigungsverfahren einerseits nach quantitativen Ge-

sichtspunkten wie der Stückzahl des herzustellenden Bauteils und andererseits nach

qualitativen Gesichtspunkten. Darunter zählen die Größe, die Oberflächenbeschaf-

fenheit, die Transparenz und ganz wichtig nach dem Anforderungsprofil der mecha-

nischen Eigenschaften und dem vorhandenem Matrixmaterial das beabsichtigte Ein-

satzgebiet des fertigen Endproduktes [R&G99]. Hier werden einige gängige Ferti-

gungsverfahren für die Herstellung von Faserverbundbauteilen vorgestellt.

2.2.1 Handlaminieren

Das Handlaminieren zählt zu den ältesten, einfachsten und am weitesten verbreite-

ten Verfahren zur Herstellung von Prototypen und kleinen Produktionsserien sowie

für Serien mit der Erforderlichkeit zur mehrmaligen Umsetzung von Änderungen. Die

im Handlaminierverfahren hergestellten Bauteile weisen eine formglatte und form-

strukturierte bzw. faserstrukturierte Oberfläche auf, die mit geringem Werkzeugauf-

wand und geringen Investitionskosten realisierbar sind. Kennzeichnend ist die Er-

zeugung vollflächiger und dünnwandiger Bauteile mit beliebig gewölbten und mul-

denartigen Formen. Diese Werkzeugformen aus Metall, Holz oder aus Faserverbund-

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laminaten selbst stellen die Negativform des zu fertigenden Bauteils dar und ermögli-

chen eine vielseitige Bauteilgestaltung. Bei der Herstellung erfolgt ein lagenweiser

Aufbau der unterschiedlichen Schichten, die auf eine zuvor gesäuberte und mit

Trennmittel versehene Formseite aufgetragen werden. Das Harz wird entweder mit

einem Pinsel oder einer Pistole auf das dort liegende textile Halbzeug hinzugegeben

und sorgt für die Durchtränkung. Nach jeder Lage wird mit einem Handroller oder

einer Handwalze die Lage entlüftet und verdichtet um Fehlstellen zu vermeiden. Zur

Erzielung höherer Festigkeiten und der Aufnahme von Kräften in definierten Richtun-

gen können Zwischenlagen aus Gewebe oder Gelege integriert werden. Die Aushär-

tung der Lagen erfolgt immer drucklos und bei Raumtemperatur oder auch bei höhe-

ren Temperaturen abhängig vom Einsatzbereich und der Temperaturbelastung der

fertigen Bauteile. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei diesem Fertigungsverfah-

ren um reine Handarbeit handelt, ist das Handlaminieren sehr lohnintensiv und mit

langen Fertigungszeiten verbunden. Das macht eine wirtschaftliche Fertigung nur bei

kleinen Stückzahlen möglich auch aufgrund der bedingten Reproduzierbarkeit infolge

handwerklicher Einflüsse [ERM07, R&G99, AVK10].

2.2.2 LCM-Verfahren

Liquid Composite Moulding beschreibt eine Gruppe von Flüssigimprägnierverfahren

zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoff. Hierbei erfolgt die Bau-

teilherstellung hauptsächlich aus einer duroplastischer Matrix unter Verwendung von

trockenen textilen Faserhalbzeugen. Diese textilen Halbzeuge werden in eine Form

eingelegt und mittels eines anliegenden Druckgefälles imprägniert und somit Faser-

volumengehalte von über 60% erreicht [AVK10]. Dabei wird entweder anhand der

Werkzeugausführung zwischen ,,Open Mould"-Verfahren und ,,Closed Mould"-

Verfahren sowie anhand der Art der Harzzuführung zwischen Harzinjektions- und

Harzinfusionsverfahren unterschieden. Bei ,,Closed Mould"-Verfahren ist das in die

Form bzw. Kavität eingelegte und vorgeformte textile Halbzeug beidseitig von einer

unteren und einer oberen Werkzeughälfte umschlossen. Das hat seine Vorteile in der

Produktion von genau definierten Bauteilen mit einer beidseitig hohen Oberflächen-

güte sowie engen Oberflächentoleranzen was zu einem geringeren Nachbearbei-

tungsaufwand in der Prozessfolge führt. Beim ,,Open Mould"-Verfahren dagegen ist

das zu fertigende Bauteil einseitig vom Basiswerkzeug umgeben und die andere Sei-

te wird durch eine luftdichte Membran gebildet die mit dem Basiswerkzeug verbun-

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den ist [KLE08]. Bei der Harzinjektion wird die Harzmatrix durch einen anliegenden

Überdruck in die Kavität befördert, wogegen bei der Harzinfusion die Harzmatrix

durch einen Unterdruck in das Werkzeug gelangt und das Verstärkungshalbzeug

durchtränkt.

Das gängigste Verfahren zur Herstellung von lang- und endlosfaserverstärkter

Kunststoffe ist das ,,Resin Transfer Moulding (RTM)"-Verfahren, das zur Gruppe der

Harzinjektionsverfahren zählt [AVK10]. Dazu werden wie in Abbildung 2-4 gezeigt zur

Herstellung komplizierter Bauteile in einem vorangegangenen Schritt die textilen

Halbzeuge zu Preforms vorgeformt. Anschließend werden diese Preforms faltenfrei

sowie endkonturnah zu einer oder mehreren Lagen in die ebenfalls zuvor gereinigte

und mit Trennmittel versehene untere Form der Vorrichtung eingelegt. Anschließend

wird die obere Form geschlossen, so dass der eingeschlossene Hohlraum dem zu

fertigenden Bauteil entspricht. Die komplette Vorrichtung wird über Leitungen mit Be-

hältern verbunden in denen das Duromer enthalten ist und in die Form befördert

wird. Zeitgleich erfolgt ein Vorheizen des Werkzeuges, so dass im nächsten Schritt

das Harz als Ein- oder Mehrkomponentensystem im vorgemischten Zustand in die

Kavität injiziiert werden kann. Das Harz durchströmt die Faserlagen und tritt nach

dem Durchtränken an den Entlüftungen aus. Dabei spielen die Wahl der Anguss-

punkte und der Entlüftungen eine entscheidende Rolle zur Ausbildung einer gleich-

mäßigen Harzfront zur Erzielung einer optimalen Prozessführung ohne Einbußen in

der Bauteilqualität. Nach dem vollständigen Füllen der Kavität und einer möglichen

zweiten Spülphase, die der Imprägnierung möglicher trockener Bereiche dient, wer-

den die Entlüftungen geschlossen und die Temperatur erhöht. Damit wird die Aus-

härtung des Harzes in Gang gesetzt. Nachdem das Bauteil ausgehärtet ist erfolgt die

Abkühlung auf Raumtemperatur und die Entnahme aus der Vorrichtung, so dass

Nacharbeiten durchgeführt werden können. Diese beschränken sich aufgrund der

endkonturnahen Fertigung meist nur auf Entgratevorgänge. Im letzten Schritt erfolgt

eine Qualitätsprüfung des fertigen Bauteils [AVK10, FIE09, MEI07].

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Abbildung 2-4: Fertigungsfolge beim Harzinjektionsverfahren [HUB10]

Die Vorteile des RTM-Verfahrens und allgemein der Harzinjektionsverfahren liegen in

der Möglichkeit der Fertigung von komplexen Bauteilen mit hohen Oberflächengüten

und engen Fertigungstoleranzen, der Automatisierbarkeit im Vergleich zum Handla-

minieren sowie der hohen Reproduzierbarkeit zu geringen Stückkosten was eine Fer-

tigung von mittleren bis großen Serien im Automobil-, Flugzeug- und Schiffbau wirt-

schaftlich macht [FIE09]. Zu den Nachteilen zählen neben den hohen Werkzeugkos-

ten aufgrund ihrer komplizierten Gestaltung teilweise auch hohe Imprägnierzeiten bei

sehr hohen Fasergehalten und langen Fließwegen die zu sich aufbauenden Fließwi-

derständen führen können [AVK10].

Die Harzinfusionsverfahren dagegen erfordern einen hohen manuellen Vorberei-

tungsaufwand zum Anbringen des Vakuumaufbaus was zeitintensiv ist. Alle ,,Open

Mould"-Verfahren wie beispielsweise das Vacuum Assisted Process (VAP) zählen zu

den Infusionsverfahren. Der Vakuumaufbau ist in Abbildung 2-5 beispielhaft für den

VAP-Prozess dargestellt. Dieser besteht aus einer Vakuumfolie und weiteren Ferti-

gungshilfsmitteln wie Absaugvliesen, Abreißgeweben oder semipermeablen Memb-

ranen, die meist nur einmal verwendbar sind und eine Entsorgung nach dem Ende

des Fertigungsablaufes erfordern [AVK10]. Das eingelegte Preform wird mit dem Ab-

reißgewebe abgedeckt auf die als Trennfolie die semipermeable Membran kommt.

Mit dieser nur für Luft durchlässigen Folie können kleine Luftblasen auch während

der Infusion aus dem Harz entfernt werden.

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Abbildung 2-5: Lagenaufbau Harzinfusionsverfahren [FIE09]

Über die semipermeable Membran kann eine Platte aufgelegt werden, die wiederum

von einem luftdurchlässigen und zweilagigen Absaugvlies umgeben ist. Um das alles

herum wird die Vakuumfolie gelegt und luftdicht mit der unteren Formwerkzeughälfte

verbunden. Die Harzinfusion erfolgt im Innern des Folienaufbaus und sorgt für eine

Füllung aller Zwischenräume des Preforms bis zur semipermeablen Membran. Dabei

wird der Folienaufbau durch das Absaugen der Luft aus dem Innern des Aufbaus

zusammen mit dem Laminat gegen die untere Form gedrückt. Darauf wirkt der Atmo-

sphärendruck von 1 bar. Eine Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und

dem Vakuumdruck sorgt für den Harzfluss und die Imprägnierung der Verstärkungs-

struktur [LOU04]. Die anschließende Aushärtung erfolgt abhängig vom Harz entwe-

der bei Raumtemperatur oder in einem Umluftofen bei Temperaturen von 120-180

°C, so dass insgesamt kein aufwendiges Formwerkzeug benötigt wird. Vorteile sind

eine hohe Festigkeit bei mittleren Investitionskosten mit der Möglichkeit der Fertigung

sowohl komplexer Geometrien wie auch großflächiger Bauteile mit geringen Stück-

zahlen [MEY08, R&G99]. Im Vergleich zu den Harzinjektionsverfahren können bei

den Harzinfusionsverfahren enge Toleranzen nicht so leicht eingehalten werden, weil

de Wandstärken beispielsweise abhängig vom Halbzeug und von den Parametern

des Fertigungsprozesses sind [KLE08].

Zudem besteht die Möglichkeit eine Kombination der Harzinjektions- und der Harzin-

fusionsverfahren wie beispielsweise beim Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding

(VARTM). Dabei können Serienbauteile in sehr hoher Qualität wie beispielsweise für

den Flugzeugbau hergestellt werden [FIE09, KLE08].

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2.2.3 Tapelegen/

Automatic

Fiber

Placement

Das Tapelegen ist ein von der Luftfahrtindustrie entwickeltes Fertigungsverfahren,

bei dem unidirektionale Tapes aus Kohlenstofffasern automatisiert auf eine vorgege-

bene Kontur abgelegt werden. Die Tapes liegen als Prepregs vor und werden lagen-

weise auf den Bauteilkern bei Sandwichstrukturen oder ansonsten auf die Form ab-

gelegt. Mit dieser Art der Ablage sind qualitativ hochwertige und hochfeste sowie

leichte und große flächige Bauteile wie zum Beispiel das Seitenleitwerk eines Flug-

zeuges realisierbar. So können die Anforderungen eines reduzierten Gesamtgewich-

tes unter Beibehaltung bzw. Optimierung der Materialeigenschaften erfüllt werden

[ZEN92]. Diese ursprünglich manuell durchgeführte Ablage der Tapes, was mit sehr

hohem Aufwand verbunden war, erfolgt heutzutage aufgrund der höheren Wirtschaft-

lichkeit mit Tapeanlagen. Tapeanlagen bestehen aus den Funktionseinheiten Ma-

schine und Legekopf (Abbildung 2-6) bestehen [MEI07].

Abbildung 2-6: Tapelegekopf [MEI07]

Zur Realisierung der Herstellung von Bauteilen mit gekrümmten und geometrisch

komplexeren Geometrien wurde das Tapelegen zum Automatic Fiber Placement

(AFP) weiterentwickelt, wodurch neben dem Automatisierungsgrad auch eine Opti-

mierung der Ablegeleistung erreicht werden konnte [FRA13].

Die auf Spulen kühl vorgelagerten Prepregs werden über ein Zuführsystem in den

Legekopf geführt, wo eine von den Fertigungsparametern abhängige Temperierung

mit einer Spulenheizung erfolgt. Infolge der Temperierung können die Tapes an-

schließend über den Legekopf auf die vorgegebene Bahn abgelegt und mittels einer

am Legekopf montierten Kunststoffrolle auf den Untergrund gepresst werden Dabei

Maschi-

Legekopf

Kunststoffrol-

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entscheidet die zu fertigende Konturform über die Breite der Tapes. So werden bei

flachen Konturen breite Tapes und bei komplexeren Konturen schmalere Tapes ein-

gesetzt, die aufgrund ihrer besseren Drapierbarkeit an die komplexe Formgebung

angepasst werden können.

Daher kommen Tapes mit Breiten im Bereich von 125 bis 300 mm zum Einsatz

[FRA13, ZEN92]. Einen entscheidenden Einfluss bei der Ablage spielt das Tack-

Verhalten der Tapes, womit die Klebrigkeit des eingesetzten Materials und somit das

Anhaftungsvermögen auf dem Untergrund. Dieses Tack-Verhalten wird beim Materi-

allieferanten, der für die Prepregherstellung verantwortlich ist, eingestellt. Eine im

Legekopf integrierte Schneideinrichtung sorgt dann für den präzisen Abschnitt der

Tapes, so dass durch den Einsatz von Ultraschall-Schneidklingen nur die für die Ab-

lage erforderlichen Tapes abgeschnitten werden und das die Tapes umgebende

Trägerpapier zurückbleibt [MEI07]. Durch die mehrfache Ablage solcher Einzellagen

nebeneinander und auch in unterschiedlich einstellbaren Faserorientierungen ent-

steht die gewünschte Bauteildicke. Dabei kann das Werkstück entweder ruhend oder

sich bewegend abgefahren werden (Abbildung 2-7) [ZEN92].

Abbildung 2-7: AFP-Maschine bei der Bearbeitung gekrümmter Formen [HIN12]

Diese Art der Bauteilgestaltung ist sowohl mit Prepregs aus duroplastischer sowie

auch aus thermoplastischer Matrix realisierbar. Der Einsatz von Thermoplast-

Prepregs hat den Vorteil der kürzeren Taktzeiten, jedoch ist hinsichtlich der hohen

Viskosität der Matrix ein dementsprechender Temperatureintrag am Ablagepunkt

zum Aufschmelzen erforderlich. Dieses Aufschmelzen erfolgt hauptsächlich mit La-

sern, die wiederum aufgrund der hohen benötigten Strahlungsleistung hohen

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Schutzeinrichtungen und Sicherheitsvorkehrungen unterliegen [FRA13]. Neben den

fertigungstechnischen Zielen wie zum Beispiel einem großen Massendurchsatz bzw.

Legeleistung bei einem effizienten Materialverbrauch mit wenig Abfall und möglichst

kurzen Zykluszeiten steht die Qualität des gefertigten Bauteils im Vordergrund und

erfordert insbesondere in der Luftfahrtindustrie umfangreiche Qualitätssicherungs-

maßnahmen. Ein Nachteil dieses Fertigungsverfahrens liegt in den hohen Anschaf-

fungskosten der Anlagen [ZEN92].

2.2.4 Autoklavtechnik

Bei einem Autoklaven handelt es sich um einen gasdicht verschließbaren Druckbe-

hälter, in dem zuvor imprägnierte Laminatschichten mit duromerer Matrix unter kon-

trollierten Temperatur- und Druckverhältnissen miteinander verpresst und ausgehär-

tet werden [MEI07]. Autoklaven ermöglichen mit Durchmessern von bis zu 6,5 m und

Längen von bis zu 40 m die Fertigung großer Bauteile mit hochwertiger Qualität für

Anwendungen insbesondere in der Luft- und Raumfahrt oder auch im Rennsport.

Dieses Fertigungsverfahren zählt zu einem der teuersten und aufwändigsten im Ver-

gleich zu anderen. Hauptsächlich erfolgt der Einsatz von Prepregs aus denen sich

infolge der Aushärtung mechanisch und thermisch hochbelastete Bauteile mit sowohl

flächigen als auch sehr komplexen Geometrien herstellen lassen [R&G99].

Zur Erzielung einer hohen Bauteilgüte ist ein komplexer Lagenaufbau, der dem aus

dem zuvor beschriebenem Lagenaufbau beim Harzinfusionsverfahren entspricht,

erforderlich und zieht daher eine aufwendige Arbeitsvorbereitung nach sich was zu-

sammen mit den meist langen Aushärtezyklen von bis zu 7 h zu insgesamt langen

Taktzeiten führt. Mit einstellbaren Drücken von über 6 bar und Temperaturen bis zu

180 °C und mehr ist zur Erzielung der geforderten Bauteilqualität eine präzise Steue-

rung von Druck und Temperatur von größter Bedeutung [FIE09]. Damit lassen sich

nicht nur hochfeste Bauteile herstellen, sondern es können in vorangegangenen Fer-

tigungsverfahren entstandene Fertigungsfehler minimiert bzw. behoben werden.

Das Absaugvlies oder auch Bleeder genannt dient dabei der Aufnahme von über-

schüssigem Harz und lässt somit eine kontrollierbare Einstellung des Faservolumen-

gehaltes zu. Nach erfolgter Aushärtung infolge der chemischen Vernetzungsreaktion

erfolgt die kontinuierliche Abkühlung des Bauteils, dessen Außenkontur durch das in

die Form eingelegte Verarbeitungsmaterial gebildet wird [FIE09].

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2014
ISBN (eBook): 9783956363535
ISBN (Paperback): 9783956366970
Dateigröße: 3 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW)
Erscheinungsdatum: 2014 (September)
Note: 1,7
Schlagworte: Fasern Harz CFK Thermoplast Kunststoffe Luftfahrttechnik LCM-Verfahren

Autor

Labinot Jashari (Autor:in)

Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette

Zusammenfassung

Leseprobe

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Autor

Labinot Jashari (Autor:in)