Entwicklung einer RTM Prozessvariante zur kavitätsdruckgeregelten Herstellung von Faserverbundstrukturbauteilen

Das Hochdruck Resin Transfer Molding (HD-RTM) Verfahren und dessen Prozesskette zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen (FVK) wurde in den letzten Jahren industrialisiert und ist inzwischen in der Serienproduktion im Einsatz. Dabei werden meist monolithische, schalenförmige Bauteilstrukturen mit hohem Kavitätsdruck von teilweise mehr als 100 bar hergestellt. Der Ausgangspunkt zur Erstellung dieser Arbeit ist die Fragestellung, welcher Kavitätsdruck beim RTM Verfahren zur schnellen Herstellung von FVK tatsächlich notwendig ist und ob mit einer erweiterten Prozessregelung eine Begrenzung bzw. Regelung des Kavitätsdrucks realisierbar ist. Die Anforderungen bezüglich Bauteilkomplexität und Funktionsintegrationsteigen kontinuierlich. Kosteneffiziente und leichte Schaumkerne, komplexe Subpreforms, die überlappend gefügt werden, lokale Verstärkungen sowie metallische Anbindungspunkte sollen in große und geometrisch komplexe Bauteile integriert und in kurzer Zykluszeit gefertigt werden. Gleichzeitig sollen die Material- und Herstellungskosten durch günstige und gut imprägnierbare Faserhalbzeuge, schnellere Harzsysteme und kompakte, kosteneffiziente Anlagentechnik weitergesenkt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer RTM-Verfahrensvariante zur aktiven Regelung und Reduzierung des Kavitätsdrucks, die das Potential zur Erfüllung der Anforderungen hat. Die ausgewählten Faser- und Matrixwerkstoffe werden zunächst hinsichtlich der Permeabilität, des Kompaktierungsverhaltens und der Matrixviskosität charakterisiert. Mit den verfügbaren Stand der Technik HD-RTM Varianten, dem high-pressure injection RTM und dem high-pressure compression RTM (HP-IRTM und HP-CRTM), werden Untersuchungen durchgeführt. Kavitätsdruckrelevante Prozessparameter, mit welchen eine aktive Regelung des Kavitätsdrucks möglich ist werden identifiziert und daraus die neue Verfahrensvariante, das pressure-controlled RTM(PC-RTM) Verfahren entwickelt. Dieses variiert den Werkzeugspalt bei der Harzinjektion und nutzt dabei die exponentielle Erhöhung der Preformpermeabilität und -porosität und den Kavitätsdruck aktiv zu regeln. Nach der Injektion wird die Presskraft abhängig vom gemessenen Druck aktiv variiert um den vorgegebenen Kavitätsregeldruck einzuhalten und die korrekte Bauteildicke zu erreichen. Die Validierung der PC-RTM Variante erfolgt in zwei Schritten. Auf Plattenebene wird der Prozess charakterisiert und unterschiedliche Kavitätsdruckprofile untersucht. Im zweiten Validierungsschrittwird das PC-RTM Verfahren an einem komplexen Bauteil erprobt und validiert. In dieses werden druckempfindliche Schaumkerne, lokale Verstärkungen und überlappend gefügte, komplexe Subpreforms integriert. Mit einem auf den PC-RTM Prozess ausgelegten RTM Werkzeug werden unterschiedliche Kavitätsdruckprofile validiert. Eine schnelle Injektion(13,5 s) mit einem auf 15 bar begrenzten Kavitätsdruck ist nun realisierbar, ohne die integrierten Schaumkerne zu schädigen. Durch den reduzierten Kavitätsdruck sinkt die Presskraft um bis zu85%. Somit kann die Anlagen- und Werkzeugtechnik durch reduzierte Kavitätsdrücke und Presskräfte kleiner skaliert werden, wodurch Kosteneinsparungen möglich sind. Daher ist das PC-RTM Verfahren für eine schlanke und effiziente Produktion von Hochleistungs-FVK relevant.