Trockene Preforms für komplexe Faserverbundkunststoffbauteile

Durch die Möglichkeit der lokalen Strukturfixierung wird die Reproduzierbarkeit zur Herstellung komplexer textiler Preforms bei Zuschnitt-, Handlings-, Stapel- und Formgebungsprozessen verbessert. Um das Handling und die Drapierung der textilen Verstärkungsstrukturen zu vereinfachen, die Geometrieabweichungen so gering wie möglich zu halten und die beanspruchungsgerechte Lage der Verstärkungsfäden in der Preform zu sichern, wird eine auf die Zuschnittsgeometrie abgestimmte lokale Fixierung mittels Binder oder Laser vorgeschlagen. Als Referenzmaterialien werden Halbzeuge aus Glasfaser (GF) unterschiedlicher Bindungen, Fadenfeinheiten und -dichten und Halbzeuge aus GF/PP betrachtet. Zur Herstellung der Faserverbundkunststoffe gelangen thermoplastische Matrixsysteme zur Anwendung. Bei der Fertigung von Leichtbaustrukturen mit Textilverstärkungen kann bei der Belegung komplexer, stark gekrümmter Freiformflächen eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils aus einer Undefinierten Ablage des Verstärkungstextiis resultieren. Um die Verstärkungsstrukturen belastungsgerecht und ohne Nacharbeit in die gewünschte 3D-Bauteilform zu bringen, wird die Zuschnittentwicklung direkt auf der Modellgeometrie realisiert. Im Rahmen des Projektes wurden hierzu 4 Referenzgeometrien ausgewählt und in die rechentechnischen und experimentellen Testläufe integriert. Mittels inverser Berechnungsverfahren erfolgt die Ableitung der Zuschnitte aus der 3D-Geometrie. Eine nachfolgende Analyse der Verzerrung dient der Ermittlung von Bereichen geringfügiger Fadenverschiebungen/ -aufweitungen und Winkelveränderungen, die zur lokalen Fixierung genutzt werden können. Am ITM wurde ein Scherrahmen entwickelt , um Halbzeuge aus Hochleistungsfasern hinsichtlich ihres Scherverhaltens beurteilen zu können. Aus den errechneten Scherkraft- Scherwinkel-Diagrammen lassen sich Aussagen über die zu erwartende Verformbarkeit (Drapierbarkeit) ableiten. Die lokale Erhöhung der Steifigkeit der einzelnen Zuschnitte erleichtert das Handling und die Reproduzierbarkeit der Drapierung zur gewünschten 3D-Geometrie des Bauteils. Die erforderlichen Nacharbeiten zur Realisierung der Kantenqualität im Verbundbauteil werden außerdem auf ein Minimum beschränkt.

By locally fixing the structure, the reproducibility of complex preforms can be greatly improved during pattern cutting, handling, batching, and assembly processes. In order to simplify the handling and draping of the textile structure, to keep the geometry deviations as marginal as possible and to secure the location of the fibers in the preform, a local fixation via binder or laser, aligned with the pattern cutting geometry, is proposed. Various textile stock with different patterns, thread thicknesses, densities and compositions (glass fibers (GF) and hybrid yarns (GF+PP)) were examined. A thermoplastic matrix was used to produce the laminates. In the production of lightweight structures using textile reinforcements, sometimes mechanical properties of the component can be adversely affected by undefined stacking of the reinforcement textiles when defining and configuring complexly curved free form surfaces. Pattern cuts are developed directly in the model geometry so the reinforcement structures can be correctly placed according to loads in the desired 3D-components without requiring reworking. In this research project, 4 reference geometries were chosen and subsequently investigated theoretically (calculations) and practically (experiments). The pattern cut was derived from the 3D geometry with inverse computational methods. A subsequent analysis of occurring deformation was conducted to distinguish areas with even slight fiber displacement or shifts in angle, which are candidates for local fixation. In order to evaluate the textile structures' shear behavior, picture frame tests were developed at the ITM [3]. Predictions of expected deformability (drapability) were derived from the calculated shear load-shear angle diagram. The increased local stiffness of the separate pattern cuts enables better and simpler handling and draping reproducibility. Necessary post-finishing processes to achieve good selvage quality are reduced to a minimum.