Browsing by Author "Meyer, Oliver"

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    Kurzfaser-Preform-Technologie zur kraftflussgerechten Herstellung von Faserverbundbauteilen
    (2008) Meyer, Oliver; Drechsler, Klaus (Prof. Dr.)
    Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe haben ein großes Potenzial metallische Werkstoffe in verschiedenen Hochtechnologieanwendungen zu verdrängen. Der erreichbare Festigkeits- bzw. Gewichtsvorteil ist dabei stark abhängig von der Faserarchitektur innerhalb eines Bauteils. Besonders bei nur wenigen definierten Lastfällen können die mechanischen Eigenschaften der Fasern über deren Ausrichtung entlang von Kraftflusspfaden optimal ausgenutzt werden. Die berechneten Faserverläufe können allerdings komplexe Formen annehmen, die mit klassischen Faserhalbzeugen und Fertigungstechniken nicht umsetzbar sind. Zunächst sollte durch Weiterentwicklungen bei der Faserspritztechnik die Herstellung von Faserverbundbauteilen mit optimierter Faserarchitektur ermöglicht werden. Neben der variablen Einstellung der Faserschnittlänge sollten die Fasern mit Vorzugsrichtung gespritzt werden. Des Weiteren sollten die Fasern mit einem thermisch aktivierbaren Binder vorfixiert werden, um in einem anschließenden Infiltrationsprozess weiterverarbeitet werden zu können. Versuche mit einer Laboranlage zeigten, dass der Spritzprozess nur zu einer unzureichenden Bauteilqualität führt. Mit dem Ziel die Faserstücke definiert auszurichten, wurde ein neues Fertigungsverfahren entwickelt, welches die Positionierung kurzer Faserstücke nach einem vordefinierten Ablageplan mit einem speziellen Roboter erlaubt. Beim so genannten Fiber-Patch-Preforming werden gespreizte und einseitig bebinderte Faserbänder in kurze Stücke (Patches) geschnitten. Dazu wurde ein mechanisches Schneidwerk mit variabler Schnittlänge entwickelt. Für ein alternatives Schneidwerkskonzept wurden umfangreiche Untersuchungen mit Lasern durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass speziell der Zuschnitt mittels Nd:YAG-Laser gute Ergebnisse bringt. Die Patches werden nach dem Schneidwerk von einer speziellen Legevorrichtung aufgenommen und an einen definierten Ablageort platziert. Die Ausrichtung der Patches kann dabei frei eingestellt werden. Da der Legekopf aus einem hochelastischen Material gefertigt ist, kann er sich gut an gekrümmte Oberflächen anpassen und die Patches mit gleichmäßigem Druck fixieren. Anhand von theoretischen Betrachtungen wurden Regeln für den Aufbau einer Patch-Preform aufgestellt. Dabei sind die Überlappungsmuster der Patches entscheidend für die Festigkeit des späteren Verbundmaterials. Prinzipiell ist einem Riss ein möglichst großer Widerstand entgegen zu setzen, damit das Faserverbundmaterial infolge eines Faserbruchs und nicht durch Delamination versagt. Die optimale Platzierung von Patches konnte mit Beispielen unterschiedlicher Überlappungen und Verlegemethoden gezeigt werden. Zudem wurde eine Formel aufgestellt, die anhand von Parametern wie Patchlänge, Krümmungsradius und Materialkennwerten eine Abschätzung der Festigkeit eines Patch-Verbundes erlaubt. In experimentellen Untersuchungen wurde das Patchmaterial drei Verbundmaterialien aus Endlosfasern gegenübergestellt. Dabei wurde getestet welchen Einfluss die Kurzfasern und der Binder auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundes haben. Während das Patchmaterial bei der Festigkeit etwas geringere Werte gegenüber Endlosfasern aufweist, ist die Steifigkeit nahezu unbeeinflusst. Die Bruchmuster der Proben zeigen, dass das Material wie erwünscht hauptsächlich durch Faserbruch versagt. Bei Impact-Untersuchungen zeigte sich, dass das Patchmaterial viel Energie absorbieren kann, bei gleichzeitig relativ geringer Schadensausdehnung und einer hohen Restdruckfestigkeit. Die Untersuchung einer Platte mit Loch mit kraftflussgerecht verlegten Fasern zeigte gegenüber einer Platte aus Multiaxialgelege ebenfalls einen deutlichen Vorteil. Mittels eines optischen Verformungsmesssystems konnte eine Homogenisierung des Dehnungszustandes durch die Fiber-Patch-Preforming Technologie nachgewiesen werden. Anschließend wurde in einer Fertigungsstudie anhand von drei Beispielen die Produktionsgeschwindigkeit beurteilt und die Fertigungskosten abgeschätzt.