Prozessentwicklung zur einstufigen Herstellung kohlenstofffaserverstärkter Sandwichstrukturen mit PUR Schaumkern

Faserverstärkte Sandwichstrukturen nutzen den geometrischen Versteifungseffekt durch die Erhöhung des Flächenträgheitsmoments und bieten ein hohes Potential für den ressourceneffizienten Leichtbau. Zur Optimierung der ganzheitlichen Bilanzierung eines Bauteillebens muss neben der Bauteilstruktur auch die Fertigungsmethode effizient gestaltet sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Herstellungsverfahren - der Direct Sandwich
Composite Molding (D-SCM) Prozess – konzipiert, entwickelt und validiert. Beim D-SCM Prozess wird der Schaumdruck infolge der chemischen Reaktion von schäumendem Polyurethan (PUR) im geschlossenen Fertigungswerkzeug genutzt. Dieser wirkt aus der Kernstruktur heraus auf die benetzten, textilen Decklagen und stellt den notwendigen Prozessdruck zur Decklagenkonsolidierung bereit. Ein Alleinstellungsmerkmal des D-SCM Prozesses ist die undurchlässige Barriereschicht in Form einer thermoplastischen Polyurethan-(TPU)-Folie zwischen Schaumkern und den Decklagen. Damit kann das unkontrollierte Eintreten von Schaumporen in die Decklagen verhindert werden. Innerhalb der methodischen Prozessentwicklung werden die Viskositätseigenschaften der Harzsysteme, das Kompaktierungsverhalten der Faserstruktur und die Adhäsionseigenschaften der TPU-Grenzschicht detailliert charakterisiert. Der zeitabhängige Druckaufbau des schäumenden Polyurethans in der Kernstruktur ist entscheidend für die einstufige Herstellung von Sandwichstrukturen im D-SCM Prozess. Infolgedessen wird der Einfluss der chemischen PUR-Formulierung und der Schaumdichte auf die Druckentwicklung untersucht und das PUR-System auf Grundlage der Materialcharakterisierungen angepasst. Durch den Einsatz von Simulations- und Modellierungsmethoden werden anschließend zielführende Prozessfenster zur einstufigen Herstellung von Sandwichstrukturen im D-SCM Verfahren bestimmt. Zur Prozessvalidierung werden auf Basis der identifizierten Prozessfenster zunächst Sandwichstrukturen im D-SCM Prozess hergestellt und die Bauteile im Anschluss charakterisiert. In den Decklagen werden Faservolumengehalte bis 35 % und Porositäten kleiner 1,5 % erreicht. Die TPU-Barriereschicht verhindert den Schaumeintritt in die Decklagen zuverlässig. Bei der Analyse der Bauteileigenschaften im 3-Punkt Biegeversuch zeigt sich, dass die im D-SCM Prozess erzielbaren Verbundeigenschaften maßgeblich vom Schaumkern beeinflusst werden. Dieser stellt damit eine effiziente Stellgröße bei der Einstellung der gewünschten Verbundeigenschaften dar. Die Prozessdemonstration des D-SCM Verfahrens an einer 2,5D Geometrie belegt zudem, dass der erzielbare Schaumdruck zum Umformen abwickelbarer Decklagenbereiche ausreichend ist und die Erkenntnisse aus der Prozessentwicklung übertragbar sind.

Composite sandwich structures take advantage of the geometric stiffening effect by increasing the area moment of inertia, and offer high potential for resource-efficient lightweight design. To optimize the holistic balancing of a component's life cycle, both the component structure and the manufacturing process must be efficiently designed. In this thesis, a novel manufacturing process – the Direct Sandwich Composite Molding (D-SCM) process – is designed, developed and validated. The D-SCM process utilizes the foaming pressure resulting from the chemical reaction of foaming polyurethane (PUR) in
a closed cavity. The expansion of the core structure provides the necessary pressure to consolidate the impregnated face sheets. A unique aspect of the D-SCM process is the impermeable barrier layer in the form of a thermoplastic polyurethane (TPU) film between the foaming material and the face sheets. This prevents the uncontrolled penetration of the fiber reinforcement in the face sheets by foam pores. Within the systematic process development, the viscosity properties of the resin systems, the compaction behavior of the fiber structure and the adhesion properties of the TPU interface are characterized in detail. The time-dependent pressure build-up of the foaming polyurethane in the core structure is crucial for the one-step manufacturing of
sandwich structures with the D-SCM process. Consequently, the influence of the chemical formulation and the foam density on the pressure evolution is investigated and the PUR system is adapted based on the material characterizations. By using simulation and modeling methods, potential process windows for the one-step production of sandwich structures in the D-SCM process are determined. For process validation, sandwich structures are first produced in the D-SCM process on the basis of the identified process windows, and the components are subsequently characterized. Fiber volume contents of up to 35 % and porosities of less than 1.5 % are achieved in the face sheets. The TPU barrier layer reliably prevents foam penetration into the face sheets. Analysis of the component properties in the 3-point bending test shows that the composite properties achievable in the D-SCM process are significantly influenced by the foam core. The foam core thus represents an efficient control variable for setting the desired composite properties. The process demonstration of the D-SCM pro-cess on a 2.5D geometry also proves that the achievable foam pressure is sufficient for forming single-curved face sheet areas, and that the findings from process development are transferable.