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Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der oberflächlichen makroskopischen Rovingorientierung bei unidirektional endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen

 
: Sauerwein, Vladimir

Karlsruhe, 2019, XV, 109 S.
Karlsruhe, Karlsruher Institut für Technologie, Master Thesis, 2019
Deutsch
Master Thesis
Fraunhofer ICT ()

Abstract
Das Nasspressverfahren (Wet Compression Molding) stellt eine Alternative zum, bereits in Forschung und Entwicklung etablierten, RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding) dar. Durch die Parallelisierung der Fertigungsschritte "Matrixsystemauftrag" und "Pressen" kann die Zykluszeit bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe deutlich reduziert werden. Aus diesem Grund ist das Nasspressverfahren für die Großserienfertigung, beispielsweise in der Automobilindustrie, interessant.
Ein beim WCM-Verfahren entstehendes Phänomen stellt das sogenannte "FiberWashing" (in der Literatur auch unter "Fiber Washout" oder "Fiber Movement" zu finden) dar. Interne Untersuchungen zeigten, dass bei zu schnellem Schließen der Presse hohe Druckgradienten entstehen, welche das Harzsystem radial nach außen verteilen. Diese Druckgradienten verursachen an der Oberfläche bei quer zu diesen liegenden Fasern eine erhebliche Änderung der Faser-, beziehungsweise Rovingorientierung im Bauteil. Dabei weisen betroffene Rovings im Vergleich zu ihrer ursprünglichen Position Verschiebungen auf. In der Literatur existieren bisher keine Kennwerte zum Auswerten der Rovingorientierung in Abhängigkeit des vorherrschenden Kavitätsdrucks oder anderer kritischer Einflussparameter während des WCMVerfahrens in Bezug auf das gesamte Bauteil. Daraus resultiert die Motivation zur Entwicklung einer im Vergleich zur Computertomographie und Wirbelstromprüfung kosten- als auch zeitsparenden Methode zur Auswertung der Rovingorientierung in unidirektional endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein MATLAB-Software-Tool entwickelt, um die oberflächliche makroskopische Rovingorientierung bei unidirektional endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen mittels einer geeigneten Methode zu charakterisieren und bewerten zu können. Das MATLAB-Software-Tool ermöglicht mittels digitaler Bildverarbeitung die Analyse des Fiber Washings von händisch systematisch präparierten (Bepunkten) Probekörpern. Aus dem Vergleich von drei implementierten Methoden ("Verschiebung", "Krümmung" und "Relative Abstände") wird die Analyse der "Faserverschiebung" im Vergleich zur initialen Rovingposition als geeignete Auswertungsmethodik definiert und validiert. Die bei dieser Auswertungsmethodik generierten Kennwerte "mittlere Verschiebung" dMittel und "maximale Verschiebung" dMax werden genutzt, um das Fiber Washing von Probekörpern, die im WCM-Verfahren unter Variation gängiger Prozessparameter hergestellt werden, zu analysieren. Während der Herstellung der Probekörper wird gezielt auf Binder verzichtet, um Umformungen im Formwerkzeug zu erlauben. Bei der Analyse der Probekörper wird ein linearer Zusammenhang zwischen dem entstehenden Fiber Washing und der in der Kavität vorherrschenden Druckverteilung festgestellt. Der Kavitätsdruck lässt sich wiederum über die Werkzeugschließgeschwindigkeit im WCM-Verfahren beeinflussen. Weiterhin wird der Einfluss von Auftragsart und Einsickerzeit der Matrix auf das Fiber Washing evaluiert. Hierbei wird festgestellt, dass ein mittiger Auftrag der Matrix mit einer Einsickerzeit von 30 s die optimale Auftragsstrategie bildet, um das Fiber Washing bei gleichzeitiger Vermeidung von Lufteinschlüssen möglichst gering zu halten. Letztere treten vor allem bei einem flächigen Auftrag der Matrix im endgültigen Bauteil auf.
Die gewonnenen Erkenntnisse werden genutzt, um ein Modell vorzuschlagen, welches das Matrixfließverhalten im WCM-Prozess und den Entstehungsmechanismus des Fiber Washings erklären könnte.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-565687.html