KÜNFTIGE MÖGLICHKEITEN SCHNELLER LCM-PROZESSE · Prepregtechnologie LCM/RTM-Technik Prof. Dr.-Ing. G. Ziegmann Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik Künftige Möglichkeiten

KÜNFTIGE MÖGLICHKEITEN SCHNELLER LCM-PROZESSE

MATERIALIEN, KENNWERTE UND PROZESSE

Prof. Dr.-Ing. G. ZiegmannInstitut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik

DLR Wissenschaftstag 2011Stade, 29. September 2011

Prof. Dr.-Ing. G. ZiegmannInstitut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik 2Künftige Möglichkeiten schneller LCM-Prozesse

Projektrahmen 5,5 Millionen €

Projektvolumen (EFRE / MWK Niedersachsen)

10 Promotionsstellen Projektlaufzeit bis

31.10.2014

CFK Nord Stade Airbus (CTC)DLRIFAM

Clausthal-ZellerfeldTU Clausthal

Niedersachsen

HannoverLeibniz Universität Hannover

BraunschweigTU Braunschweig


Eingliederung in die Forschungslandschaft

Hochschulforschung

Quelle: CTC Stade

OEM

CFK Nord Stade

Anwendungs-orientierte

Vorlaufforschung

Serienfertigung RecyclingSerien-reifmachung

HP CFK


Projektorganisation

1.1 1.2 1.3

2.1 2.2 2.3

3.1 3.2 3.3

4TP 1: Bauweisen

TP 2: Werkstoffe und Prozesse

TP 3: Fertigungs- und Automatisierungstechnik

Projektleitung

Lenkungskreis Professorenrunde

IFW

PuK

IFL

IFW

PuK

IFL

IFW

PuK

IFL

IFW

IFW

PuK

IFL

IFW

PuK

IFL

IFWMWK

PAG

Airbus/CTC


Bauweisen und Strukturen: IFL, TU Braunschweig

TP 1 Optimierung innovativer CFK-Bauweisen aus fertigungstechnischer Sicht unter Beachtung strukturmechanischer Kriterien

Werkstoffe und Prozesse: PuK, TU Clausthal

TP 2 Neue Lösungsansätze für Werkstoffsysteme und serientaugliche Prozesse/Prozessketten für komplexe, hoch beanspruchte Strukturen

Anlagen- und Automatisierungstechnik: IFW, LU Hannover

TP 3 Werkstoff- und prozesstechnologisch orientierte Automatisierungs- und Anlagenkonzepte für die prozesssichere Herstellung von CFK-Bauteilen

Prozesskette: IFW, LU Hannover

TP 4 Multikriterielle ökonomische Bewertung und Auslegung zukünftiger CFK-Fertigungsprozesse

Teilprojektziele


Werkstoffe und Prozesse TP 2.1 – TP 2.3

Matrixsysteme für die Herstellung von Hochleistungsbauteilen in kurzen Zykluszeiten und robuster Prozessführung Textile Prozesse und Bindertechnologien zur Verbesserung der

automatisierten Drapierbarkeit Wirtschaftliche und schnelle Fertigungsprozesse zur Steigerung der

Abbildungsgenauigkeit


Charakteristische Faserverbundbauteile

Quelle: Lamborghini Quelle: Airbus

Quelle: BMW


Überblick über verschiedene Herstellungsverfahren

Prepreg Technologie

WickelnLCM Prozesse

Press-Technik

Pultrusion

Handlaminieren

Diaphragma Technologie


Voraussetzungen für verlässliche Prozesse und Produkte


Trennung der Prozessschritte

Die Herstellung von Faserverbundbauteilen kann in einige grundlegende Schritte unterteilt werden

Härtung

Imprägnierung Umformung/Drapierung

Konsolidierung

Press-Prepreg-Technologie

Impr

ägni

erun

g

Här

tung

Um

form

ung

Dra

pier

ung

Kons

olid

ieru

ng

Impr

ägni

erun

g

Här

tung

Um

form

ung/

Dra

pier

ung

Kons

olid

ieru

ng

LCM-Prozesse




Aktuelle Trends bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen

Integrale und komplexe Strukturen

Gew

icht

Steifigkeit / Komplexität

Bildquelle: Daimler - Chrysler

Bildquelle : Airbus


Aktuelle Trends bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen

Große Strukturen mit hoher Stückzahl Beispiel aus der Luftfahrt:

Flügelschale eines A400M A30X Rumpfsegment

NSR: >6000 Rumpfsegmente / Jahr>2000 Flügelschalen/ Jahr


Abhängigkeiten der Zykluszeit

Sekunden?

Stunden?

Minuten?


Zusammenhänge bei der Herstellung von Faserverbunden


Charakterisierung des Textils (Ebene und transversale Deformation)


Kompression Relaxation

Entlastung

Permanente Deformation

Während des Prozesses ist die Höhe der Kavität nicht konstant

Während des Prozesses ist die Höhe der Kavität nicht konstant

Pfib

Pext

Pfluid

Picture Frame - Test Änderung der Faserorientierung

Pext

Pvac

Pext-PvacPext-Pres

Pext


Charakterisierung des Textils (Ebene und transversale Deformation)


1D und 2D Methode zur Messung der Permeabilität

Einfluss der ebenen Scherung auf die Fließfront

Makro- und mikroskaliges Fließen


Abhängigkeit der Permeabilität von dem Faservolumengehalt


Viskositätsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit


Viskositätsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur


Viskositätsverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur


Abhängigkeit der max. Verarbeitungszeit von der Temperatur



Exponentielle Abhängigkeitder Grenzviskosität



VARI

RTM


Charakterisierung des Reaktionsharzes: Reaktionskinetik und Viskositätsverlauf

Definition eines Fensters für die Verarbeitbarkeit eines Harzsystems in Abhängigkeit von der Temperatur und der Aushärtung

Zeit [min]

Aus

härt

ungs

grad

[-]



Reaktionszeiten?

Maximale Harztemperaturen?

Gleichmäßigkeit der Aushärtung?

Harzauswahl?

Optimierung der Aushärtung

Maximal zulässige Temperatur


Simulationsergebnisse

Allgemeine Energiebilanz: QT

tTcp

)(

)(

QTtTcp

)(

in Aufheizphase: Große Deformationen, Änderung aller Parameter



10-1

Dru

ckfe

stig

keit

nach

Impa

ct (C

AI)

100 101

Viskosität: lg 1/ [1/Pas]

EP-Systeme• Spröde• hohe Schwindung

EP-Systeme• Thermoplastisch

modifiziert• Prepreg

Thermoplast. Binder

im Textil

Modifikation im Harz durch:• Partikel• Dendrimere, etc.

Permeabilität

Zielkorridor:• Bindersysteme• Textile, lösliche

thermoplastische Fasern

Perm

eabi

lität

Prepregtechnologie LCM/RTM-Technik


Konzepte für die Zukunft

Schnelle Herstellungsverfahren: Hochdruck RTMCompression RTMQuick Step Spaltimprägnierung Flexible Injection

Automation der Prozesse: Automatic tape/fibre placement Flexible Robotersysteme Auto RTM


Schnelle Herstellungsverfahren

Quelle: Bhat et al., Process analysis of compression resin transfer molding, Composites: Part A 40 (2009) 431–441

Endkunturnahe Werkstücke!

Compression Resin Transfer Moulding:

Definierte Faserausrichtung

Schnelle Imprägnierung

Schnelle Härtung



x x

2 s 25 s 35 s 40 sFließfront

gx

Glasfaser-Preform

800

mm

Transparenz während der

Imprägnierung

Anguss

Untere Werkzeughälfte

Preform

Obere Werkzeughälfte

Quelle: IKV Aachen

Spaltimprägnierung



Quick Step

Quelle: Cost effective processing of automotive parts, Reinforced Plastics Conference Asia 2005, http://www.quickstep.com.au/what-is-quickstep/whitepapers



Quelle: F. Trochu, B. Touraine and S. Soukane;FPCM 9, Montréal (Québec), Canada, 8 - 10 July 2008

Flexible Injection



Hochdruck RTM

Bildquelle: KraussMaffei



Auto RTM


Hauptziele der Industrie

Hauptkriterien für die Serienproduktion


Hauptziele der Industrie


Zusammenfassung und Ausblick

Textile Strukturen- Definierte Fließkanäle- Reproduzierbarer Textilaufbau- Bindertechnologien

Harzsysteme- Hohe Fließfähigkeit- Definierte Viskositätsentwicklung- Definierte / einstellbare Kennwerte (Impact, CAI,

Wärmeformbeständigkeit, etc.) Verarbeitungsprozesse

- Injektions-/Vakuumkonzepte- Energieeintragung- Aushärtegeschwindigkeit- Automatisierungskonzepte


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann

Institut für Polymerwerkstoffe und KunststofftechnikTechnische Universität Clausthal

Agricolastrasse 638678 Clausthal-Zellerfeld, DeutschlandTel: ++49 5323 72 2080Fax: ++49 5323 72 2324 E-Mail: [email protected]



Üblicherweise lässt sich die Herstellung von Faserverbunden mittels der RTM-Technologie in drei Teile gliedern:

Textil Reaktionsharz

Pre-/Umformen Imprägnierung Aushärtung

Produkt


Schnelle Herstellungsverfahren (Für Großstrukturen)

Bildquelle: ETH Zürich

Gewickelte Außenhaut eines Neigungszug-Wagons im Maßstab1:2,5

Wickelmaschine für Großstrukturen

Wickeltechnologie


Schnelle Herstellungsverfahren (Für Großstrukturen)

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