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Open Access
Direct Joule heating as a means to efficiently and homogeneously heat thermoplastic prepregs
(2020) Wellekötter, Jochen; Bonten, Christian
Although direct Joule heating is a known technique for heating carbon fiber reinforced plastics, it is a yet unexplored heating method for thermoplastic prepregs before back-injection molding. The knowledge obtained from resistance welding, for example, is not directly transferable because of considerably higher heated volumes and more complex shapes. In this study, the governing parameters and process limits are established for this method. The influences of the contacting, the materials used, and the size of the heated part are investigated with respect to the part temperature and heating efficiency. The findings show that the quality of heating is determined by the shape and size of the electrodes. Larger electrodes lead to a more homogeneous temperature distribution. Parts based on woven fabric can be heated more homogeneously because of the existence of intersections between rovings, generating contact between fibers. An increase in part width results in uneven heating behavior.
Open Access
Das Erwärmungsverhalten thermoplastischer Faserkunststoffverbunde durch Ausnutzung des Joule’schen Effekts
(2020) Wellekötter, Jochen; Bonten, Christian (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
Die Weiterverarbeitung thermoplastischer endlosfaserverstärkter Halbzeuge gilt als ein effizienter und automatisierbarer Herstellungsprozess von Faserkunststoffverbunden in Serienanwendungen. Bei der Verarbeitung werden die thermoplastischen Halbzeuge zunächst auf Endkontur geschnitten, dann erwärmt und zum Beispiel als Einleger im Spritzgießprozess hinterspritzt. Der Prozess läuft in der Regel vollautomatisiert ab. Als Erwärmungsmethoden kommen die gängigen Wärmeübertragungsprinzipien zum Einsatz. Für Faserkunststoffverbunde besteht unter anderem bei der Verarbeitung nach wie vor enormes Potenzial, die Umweltbilanz zu verbessern. Insbesondere lässt sich der Wirkungsgrad der Erwärmung steigern. Eine neuartige Erwärmungsmethode für kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Halbzeuge stellt die Joule'sche Erwärmung dar. Trotz des theoretisch enorm hohen Wirkungsgrads ist die Joule'sche Erwärmung faserverstärkter Halbzeuge jedoch bisher wenig erforscht und findet keine Anwendung im industriellen Umfeld. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, den Erwärmungsprozess thermoplastischer Prepregs durch Ausnutzung des Joule'schen Effekts zu analysieren und so Verfahrensgrenzen und Prozessparameter zu evaluieren. Dabei wird der Einfluss der Kontaktierung, der verwendeten Werkstoffe sowie der Größe und Geometrie der zu erwärmenden Halbzeuge auf die Zielgrößen mittlere Bauteiltemperatur, Temperaturverteilung, Wirkungsgrad sowie Bauteil- und Prozessqualität experimentell bestimmt. Zusätzlich erfolgt eine numerische Vorhersage des Erwärmungsprozesses. Es stellt sich heraus, dass die Qualität der Kontaktierung maßgeblich durch die Form und Größe der Elektroden bestimmt wird. Große Elektroden führen zu einer homogeneren Temperaturverteilung. Durch Rundungen an den Kanten der Elektroden kann die Temperaturverteilung weiter verbessert werden. Die im Halbzeug vorliegende Textilstruktur hat einen deutlichen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Halbzeuge auf Gewebebasis können aufgrund der vielen Verschlaufungen zwischen den Rovings homogener erwärmt werden. Die Halbzeuglänge hat aufgrund der sich einstellenden Reihenschaltung der Halbzeugwiderstände nur einen geringen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Die Parallelschaltung der Halbzeugwiderstände durch Veränderung der Halbzeugbreite resultiert jedoch in einem ungleichmäßigen Erwärmungsverhalten. Formelemente in Form von Bohrungen oder Stufen haben einen deutlichen Effekt auf das Erwärmungsverhalten. Grundsätzlich werden durch komplexere Halbzeuge inhomogenere Temperaturprofile erreicht, was zu Schädigungen der Fasern und der Matrix führen kann. Die Temperaturverteilung während der Erwärmung kann durch numerische Verfahren vorhergesagt werden. Mithilfe der computergestützten Werkstoffsimulation lassen sich vergleichsweise einfache Geometrien mit hoher Genauigkeit bestimmen. Für komplexere Geometrien weichen die Maximaltemperatur und die mittlere Bauteiltemperatur jedoch deutlich voneinander ab. Durch eine Regressionsanalyse mittels Machine-learning können außerdem die Versuchsergebnisse ausgewertet werden. Dies erlaubt insbesondere eine stetige Verbesserung der numerischen Vorhersage, indem neue Versuchsergebnisse in die Analyse mit einbezogen werden können und somit ein Online-Überwachungssystem realisiert werden kann.
Open Access
Insights into the processing of recycled carbon fibers via injection molding compounding
(2020) Wellekötter, Jochen; Resch, Julia; Baz, Stephan; Gresser, Götz Theo; Bonten, Christian
Although fiber-reinforced plastics combine high strength and stiffness with being lightweight, major difficulties arise with high volume production and the return of manufactured parts back into the cycle of materials at the end of their lifecycles. In a novel approach, structural parts were produced from recycled material while utilizing the so-called injection molding compounding process. Recycled fibers and recycled polyamide matrix material were used by blending carbon and matrix fibers into a sliver before processing. Injection molding was then used to produce long fiber-reinforced parts through a direct fiber feed system. Recycled matrix granules were incorporated into the injection molding process by means of an injection molding compounder to investigate their influences on the mechanical properties of the parts. The findings show that the recycled fibers and matrix perform well in standardized tests, although fiber length and fiber content vary significantly and remain below expectations.