Kurzfaser-Preform-Technologie zur kraftflussgerechten Herstellung von Faserverbundbauteilen

Abstract

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.

Carbon fiber reinforced plastics have great potential to replace metallic structures in different advanced technology applications. However the achievable advantages in strength and weight depend on the inner fiber architecture of the component. The mechanical properties can be optimized by orienting the fibers along the load paths. The greatest potential can be achieved if there are limited numbers of load cases. The fiber paths can emerge in complex shapes, which can not be implemented by using classic textile fabrics or current manufacturing techniques.

Initially the production of components with optimized fiber architecture was planned with an advanced fiber spray up technology. The aim was to develop a process with an online adjustable fiber length and a controlled fiber lay up angle. A thermal activated binder was considered to fix the fibers for a later use in an infiltration process. Experiments showed that the material quality of this fiber spray up process was not sufficient.

Therefore a new production method was developed, which allows the positioning of short fibers according to a given specification. A special robot enables the realisation of any position and orientation of the fibers during preforming. In the so called Fiber-Patch-Preforming process fiber tapes made of spread carbon rovings are used. These tapes have a binder on one side and are cut into short fiber patches. For this purpose a mechanical cutting device with online adjustable cutting length was developed. Alternatively extensive experiments where carried out with different laser types. The best results were reached with a Nd:YAG-laser. The fiber patches are picked up by a lay up machine and are placed at their defined position. The fiber angle can be free adjusted. The lay up head is made of a highly elastic material, which is able to follow complex curved surfaces. The patches are stamped on the surface with homogeneous pressure.

Based on theoretical evaluations, rules for the patch preform production are established. Especially the overlap patterns have a great influence on the strength of the fiber reinforced plastic. The fracture of the material should be limited to fiber fracture and not to interlaminar delamination. By implementing a great resistance against crack propagation the material shows similar damage behaviour as an endless fiber material. Different overlap patterns and lay up methods are shown as examples of an optimal patch preform. A formula for the strength calculation is proposed, based on fiber length, force path bending and material properties.

At several experiments the fiber patch material is compared to other composite materials. The influence of the overlap patterns of the short fibers and the binder on the mechanical properties is of special interest. The patch material shows a small decrease in strength compared to endless fiber materials, but the stiffness remains nearly unaffected. The break patterns indicate that the patch material mainly fails by fiber fracture. Impact tests show that the fiber material is able to absorb relative high impact energies. The damage area is relative small and the specimens have high residual compression strength. An experiment with a open hole plate showed that the orientation of fibers along load paths has a positive influence on the mechanical performance. At this test a patch preform material was compared to a NCF material. A homogenisation of the strain distribution through the fiber patch preforming technology was measured with an optical measurement system. A fabrication study with three examples was conducted to evaluate the production speed and a cost estimation was made.