Herstellung langfaserverstärkter Thermoplastbauteile unter Zuhilfenahme von Hochleistungslasern als Wärmequelle

Langfaserverstärkte Thermoplaste zeichnen sich durch hohe Festigkeiten, Steifigkeiten und exzellente chemische Beständigkeit aus, weshalb diese Werkstoffe vermehrt in der Luftfahrt-, der chemischen und der Off-Shore Industrie verwendet werden. Hinsichtlich der Verarbeitbarkeit gibt es jedoch Unterschiede zu den bekannten langfaserverstärkten Duroplasten, da die thermoplastische Matrix während der Verarbeitung aufgeschmolzen werden muß. Die Dissertation beschreibt die Entwicklung, Erprobung und Bewertung eines flexiblen Werkzeuges zur Herstellung von rotationssymmetrischen und flächigen Bauteilen des endlosfaserverstärkten Thermoplasten. Als Halbzeuge werden sogenannte Prepregs, mit Matrix vorgetränkte Verstärkunsfasern, verwendet, die nebeneinander abgelegt das Bauteil bilden Die Möglichkeiten der Ablage von Prepreg-Tapes zur Bauteilherstellung sind durch die Drapierfähigkeit des Materials beschränkt. Im Rahmen von theoretischen und experimentellen Utnersuchungen beschreibt die Arbeit die Verfahrensgrenzen für verschiedene Prepregs und deren Einfluß auf die Werkzeuggestaltung. In Abhängigkeit der Restriktionen beschreibt die Arbeit ein Roboter-Werkzeug, welches Materialien bis zu einer Breite von 40 mm verarbeiten kann. Neben breiten Tapes können auch mehrere schmale Tapes so gehandhabt werden, daß eine gekrümmte Bandablage möglich ist. Durch die Integration des Fibre-Placement-Werkzeuges in einen Portalroboter können alle herstellbaren Bauteilgeometrien gefertigt werden. Als Energiequelle dienen Nd.YAG- und Diodenlaser, die eine produktive und reproduzierbare Fertigung ermöglichen. Neben einer theoretischen Betrachtung des Aufheizvorgangs werden ebenfalls empirisch ermittelte Verfahrensparameter vorgestellt, die das Prozeßfenster der Fertigung umschreiben. Die technische und monetäre Bewertung der verwendeten Energiequellen mit anderen üblichen Heizverfahren gibt einen Überblick, welche Energiequellen für welche Herstellprozesse geeignet und wirtschaftlich günstig sind. Anhand der Beispielbauteile Druckbehälterbandage und Druckschott wird die Eignung des Roboter-Werkzeuges und der Laserenergiequellen zur Herstellung von Wickel- und Legebauteilen nachgewiesen. Neben den gewählten Fertigungsstrategien erfolgt eine Gegenüberstellung der wirtschaftlichen Vor- und Nachteile der Technologie. Im Vergleich zu duroplastischen faserverstärkten Kunststoffen wird versucht, die verfahrensspezifischen Vor- und Nachteile hinsichtlich der Fertigung und der Bauteilkosten gegenüberzustellen. Hierbei zeigt sich, daß trotz der Materialpreise eine wirtschaftliche Fertigung für Bauteile mit geringem Materialvolumen möglich ist. Die vorgestellte Kombination eines flexibel einsetzbaren, universellen Roboter-Werkzeugs mit effizienten Laser-Aufheizverfahren stellt eine gute Basis für industrielle Weiterentwicklungen dar, um flächige und rotationssymmetrische Bauteile, die das positive Eigenschaftsprofil der langfaserverstärkten Thermoplaste effektiv nutzen, wirtschaftlich herstellen zu können.