Prozessentwicklung für die Herstellung von Sheet Molding Compound mit hochausgerichteter Faserverstärkung

Bei bekannten Belastungsrichtungen eines Bauteils ist es sinnvoll, die Fasern entlang der Hauptbelastungsrichtung auszurichten, da diese Bauteile dadurch höhere spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten besitzen, was deshalb zu Gewichtseinsparungen führen kann. Dafür eignen sich hochausgerichtete SMC-Bauteile, die weiterhin den Vorteil der höheren Gestaltungsfreiheit durch die Verwendung von Schnittfasern im Vergleich zum Einsatz von Endlosfasern bieten. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Ausrichtung von geschnittenen Glasfasern in einer SMC-Flachbandanlage vorgestellt, die mithilfe eines vibrierenden Gatters eine Vorzugsrichtung der Fasern im SMC-Halbzeug erzeugt. Dazu wurden zunächst die einstellbaren Parameter des Versuchsaufbaus variiert und mittels optischer Bildauswertung die erzielten Faserorientierungen bestimmt. Die vielversprechendsten Parameter wurden verwendet, um ausgerichtete SMC-Halbzeuge herzustellen und anschließend Platten im Fließprozess zu fertigen. Daraus wurden Proben entnommen und durch geeignete Charakterisierungen die mechanischen Eigenschaften bestimmt. So konnte in der besten Konfiguration ein Faserlängenanteil von 45% innerhalb von 20° um die Hauptausrichtung in 0° erreicht werden. In Faserausrichtung wurde die Zugfestigkeit im Vergleich zum quasi-isotropen Standard-SMC um etwas mehr als 100% gesteigert. Die Steifigkeit konnte gleichzeitig um ca. 55% gesteigert werden. Die Zugfestigkeit wurde außerdem bei der besten Konfiguration um etwas mehr als 160% in der 0°-Richtung gesteigert, verglichen mit der 90°-Richtung. Bei der Steifigkeit wurde durch die Faserausrichtung ein anisotroper Unterschied von ca. 55% erreicht.

If load paths in a component are well defined, it makes sense to align the fibres along the main load path, as this gives these components higher specific strengths and stiffnesses, which can therefore reduce the component's weight. Highly aligned SMC-materials are suitable for this purpose, which also offer the advantage of greater design freedom using chopped fibres compared to the use of continuous fibres.
This thesis presents a method for aligning chopped glass fibres in an SMC-line that uses a vibrating gate to create a preferred direction for the fibres in the SMC semi-finished material. To do so, the adjustable parameters of the test setup were first varied, and the fibre orientations achieved were determined using optical image evaluation. The most promising parameters were used to produce orientated SMC semi-finished materials and then to manufacture plaques in the compression molding process. Samples were taken from these and the mechanical properties were determined using suitable characterization methods. In the best configuration, a fibre-length-fraction of 45% was achieved within 20° around the main alignment at 0°. In fibre orientation, the tensile strength was increased by slightly more than 100% compared to the quasi-isotropic standard-SMC. At the same time, the stiffness was increased by approx. 55%. The tensile strength was also increased by slightly more than 160% in the 0°-direction compared to the 90°-direction in the best configuration. In terms of stiffness, an anisotropic difference of approx. 55% was achieved due to the fibre orientation.