Einfluss der Prozessparameter auf Morphologie und Mechanik beim Schmelzimprägnieren faserverstärkter thermoplastischer Tapes

In den letzten Jahren rückte das Thema Leichtbau immer mehr in den Fokus von Forschung und Entwicklung, unter anderem im Bereich der Fahrzeugtechnik. Insbesondere faserverstärkte Kunststoffe haben sich dabei als Werkstoffe mit großem Potential hervorgetan. Bei der Verwendung von thermoplastischer Matrix führt eine mögliche Prozessroute über unidirektionale Tapes, die anschließend weiterverarbeitet werden zu Bauteilen. Während die Prozesstechnik zur Verarbeitung der Tapes auch für mittelständische Unternehmen kommerziell verfügbar ist, liegt die Herstellung der Halbzeuge bisher alleine bei Großproduzenten. Um die Abhängigkeit der Halbzeugverarbeiter zu reduzieren, wurde im Rahmen eines öffentlich geförderten Projekts eine neue kleinere Anlage zur Tapeherstellung konzipiert und gebaut. Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme soll nun der Einfluss der Prozessparameter auf die Tapequalität systematisch untersucht werden. In der vorliegenden Arbeit werden Versuche durchgeführt unter Variation der Abzugsgeschwindigkeit und der zugeführten Matrixschmelzemenge. Um auch den Einfluss auf spätere Bauteile einschätzen zu können, werden aus den produzierten Tapes zusätzlich Laminate hergestellt und untersucht. Zur Charakterisierung der erhaltenen Tapes und Laminate werden thermogravimetrische Analysen, Dichtemessungen, die Präparation materialographischer Schliffe sowie Biegeprüfungen durchgeführt. Die hergestellten Tapes haben Faseranteile zwischen 48 m% und 58 m% bei Porositäten von 2 % bis 4 %. Die Ergebnisse zeigen allerdings keine direkt ersichtliche funktionale Abhängigkeit der Tapequalität von den beiden variierten Parametern. Die mechanischen Kennwerte zeigen einen direkten Zusammenhang zur Porosität, nicht aber zum Faseranteil. Um die Tapeeigenschaften zu optimieren, sollte daher der Fokus auf auf der Reduzierung der Poren liegen. Dies wird tendenziell durch höhere Extruderdrehzahlen erreicht. Schliffaufnahmen zeigen, dass die Qualität der Tapes lokal sehr stark variiert, vermutlich aufgrund der großen Toleranzen im Ausgangsmaterial. Eine Verbesserung des Prozesses ist daher auch bei der Verwendung eines homogeneren Ausgangsmaterials zu erwarten. Ein parallel untersuchtes Industriematerial schneidet im direkten Vergleich noch deutlich besser ab.

Lightweight engineering is increasingly in the focus of current research and development, for example in automotive engineering. Especially fibre-reinforced plastics show great potential as lightweight materials. When using thermoplastic matrices, working with unidirectional tapes as semifinished products is one of the most common procedures. The technologies to process the tapes is already available for medium-sized companies. However, the tape production is solely in hands of big producers. In order to reduce the dependency of small companies, a new smaller unit for manufacturing thermoplastic tapes has been constructed, as part of a publicly funded project. The unit has already been put into operation. Now, it is supposed to study the influence of different process parameters on the tape quality. In this thesis, experiments are carried out under variation of haul-off speed and the supplied amount of molten polymer. The tapes, as well as samples of laminates produced from the tapes, are examinated by various testing methods such as thermogravimetric analysis, density determination, preparation of materialographic sections as well as bending tests. The tapes show fibre contents between 48 w% and 58 w% with porosities of 2 % to 4 %. However, the results do not clearly show functional dependencies of the tape quality on varied parameters. The mechanical properties show a direct correlation to porosity, but not to the fibre content. That is why in order to improve the tape quality, it seems most effective to focus on reducing pores instead of increasing fibre content. This can be achived by increasing the amount of injected liquid polymer. Besides that, the microsections show strong local variations in tape quality. Probably, this arises from large tolerances in the raw material. Therefore, starting the process with more homogeneous fixed tows might also improve the outcome. Yet, a similar commercially available material, that is examinated likewise, performs better.