Masterarbeit - Jonas Dossmann · Masterarbeit II Kurzreferat Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit BMW, der NHTSA und anderen Part-nern am Center for Composite Materials der

Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau

Masterarbeit

Thema: Thermoformen von CFK-Prepregs zur Herstel-lung von crashbelasteten Strukturbauteilen im

Automobilbau

vorgelegt von: Jonas Doßmann Matr.-Nr.: 360360

geb. am: 02.04.1983 in: Berlin

Studiengang: Master Leichtbau

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Prof. Lothar Kroll

Dipl.-Ing. Ramon Tirschmann

Dipl.-Ing. Sascha Müller

Tag der Ausgabe: 07.08.2015

Tag der Abgabe: 25.02.2016

Abgegeben am: 24.02.2016

Prof. Thomas von Unwerth Prof. Lothar Kroll

Vorsitzender des Prüfungsausschusses Betreuender Hochschullehrer

Masterarbeit II

Kurzreferat

Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit BMW, der NHTSA und anderen Part-

nern am Center for Composite Materials der University of Delaware. Der Hinter-

grund der Arbeit ist das Thermoformen einer B-Säule aus CFK mit thermoplasti-

scher Matrix. Zu Beginn werden relevante Grundlagen vorgestellt und erörtert. An-

schließend wird das Ausgangsmaterial analysiert und verschiedene Halbzeugkon-

zepte auf ihre Eignung untersucht. Hiernach werden Herstellungsstrategien für das

Halbzeug angewendet und die Resultate verglichen. Es wird überprüft, ob per Out-

Of-Autoclave-Verfahren höchste Qualität des Halbzeugs erreicht werden kann. Dar-

aufhin erfolgt das Thermoformen dieser Halbzeuge mit flachem Werkzeug zur Ver-

fahrens- und Parameterjustierung. Die thermogeformten Teile werden dann in ei-

nem vorher/nachher-Vergleich mit den eingesetzten Halbzeugen verglichen um den

Einfluss des Thermoformens zu untersuchen. Schließlich folgt das Thermoformen

durch ein Werkzeug mit Hutprofil, was eine Abstrahierung des Profils einer B-Säule

darstellt. Abschließend werden die erzielten Erkenntnisse als Grundlage weiterfüh-

render Entwicklung eingeordnet.

Masterarbeit III

Inhaltsverzeichnis

I Kurzzeichenverzeichnis ............................................................................ V

II Abbildungsverzeichnis ........................................................................... VII

III Tabellenverzeichnis ................................................................................... X

1 Einleitung und Motivation .......................................................................... 1

2 Themavorstellung ....................................................................................... 5

2.1 Begriffsdefinitionen ............................................................................... 5

2.2 Vorgehensweise ................................................................................... 6

2.3 Versuchsanlage ................................................................................... 8

3 Grundlagen ............................................................................................... 11

3.1 Out-Of-Autoclave (OOA)-Technologie ............................................... 11

3.2 Prepregtechnologie und -verarbeitung ............................................... 12

3.3 Thermoformen von Composites ......................................................... 14

3.4 Composite-Crashverhalten ................................................................ 16

3.5 Ultraschallanalyse „C-Bild“ ................................................................. 18

4 Halbzeugentwicklung ............................................................................... 20

4.1 Prepreg-Analyse ................................................................................ 20

4.1.1 Anforderungen und Auswahl ................................................... 20

4.1.2 Untersuchung und Auswertung des Prepregs ......................... 21

4.2 Unkonsolidiertes Lagenpaket als Halbzeug ....................................... 23

4.2.1 Versuchspräparation ............................................................... 23

4.2.2 Versuchsdurchführung und -auswertung ................................. 25

4.3 Herstellung und Untersuchung von Organoblechen ........................... 26

4.3.1 Präparation .............................................................................. 26

4.3.2 Angewendete Prozessprofile ................................................... 27

4.3.3 Analyse .................................................................................... 28

4.3.4 Auswertung .............................................................................. 32

5 Thermoformen mit flächigem 2D-Werkzeug ........................................... 34

5.1 Relevanz ............................................................................................ 34

5.2 Temperaturprofil des Organoblechs ................................................... 34

5.3 Vorversuche mit verschiedenen Temperaturen.................................. 37

5.4 Versuche mit Ausgleichsplättchen und verschiedenen Drücken ........ 38

5.5 Versuchsreihe mit verschmälertem Werkzeug und größerem Druck . 41

5.5.1 Werkzeuganpassung ............................................................... 41

5.5.2 Parameter und C-Bilder ........................................................... 42

Masterarbeit IV

5.5.3 Schliffbildanalyse ..................................................................... 43

5.5.4 Deutung ................................................................................... 44

5.6 Temperaturprofil mit Silikonmatten auf dem Werkzeug ...................... 45

5.7 Versuchsreihe mit Silikonmatten auf dem Werkzeug ......................... 47

5.7.1 Versuchsparameter und C-Bild-Analyse .................................. 47

5.7.2 Deutung des Verwölbungseffekts ............................................ 49

5.7.3 Auswertung von Feinschliff-Aufnahmen .................................. 50

5.8 Vergleich der OOA/Autoklav-Halbzeuge und Auswertung ................. 51

6 Thermoformen mit 3D-Werkzeug (Hutprofil) .......................................... 56

6.1 Werkzeug und Justierung .................................................................. 56

6.2 Kontaktkinematik ................................................................................ 57

6.3 Versuch mit 8-lagigem Halbzeug und 240 mil Silikonschichtdicke ..... 58

6.4 Versuch mit 10-lagigem Halbzeug und 240 mil Silikonschichtdicke ... 62

6.4.1 Makro- und Mikrostruktur ......................................................... 63

6.4.2 Dickenprofil .............................................................................. 68

6.4.3 Interpretation ........................................................................... 68

7 Diskussion ................................................................................................ 70

8 Zusammenfassung ................................................................................... 73

9 Ausblick ..................................................................................................... 75

Literaturverzeichnis ............................................................................................ 77

A Technische Informationen ..................................................................... A-1

A.1 Datenblatt Tencate Cetex 910.......................................................... A-1

A.2 Technische Daten ............................................................................ A-2

B Zusätzliche Bilder ................................................................................... B-3

C Überblick aller Versuche ........................................................................ C-7

Masterarbeit V

I Kurzzeichenverzeichnis

Abkürzungen

BMC Bulk Moulding Compound (Kurzfaserverstärkte Polymermasse)

DAQ Data Acquisition (Daten-Messsystem)

FKV Faser-Kunststoff-Verbund

GMT Glasmattenverstärkte Thermoplaste

HP-RTM High Pressure Resin Transfer Moulding

IR Infrarot

OOA Out-Of-Autoclave

PA6 Polyamid 6

RTM Resin Transfer Moulding (Harzinjektionsverfahren)

RT Raumtemperatur

SMC Sheet Moulding Compound (Platte aus langfaserverstärktem Poly-mer)

SEA Spezifische Energieaufnahme

T-RTM Thermoplastic RTM

UD Unidirektional

Masterarbeit VI

Symbole und Zeichen

A Fläche

d Dicke

E E-Modul

F Kraft

g Erdschwerefeld ( = 9,81 m/s2)

in Zoll (1 in = 25,4 mm)

L Länge

m Masse

M Masseauftrag

mil 1/1000 Zoll

N Newton

P Druck

s Länge der zerstörten Probe

t Zeit

TPresse Temperatur der Presse

TIR Temperatur der Infrarot-Heizkörper

Masterarbeit VII

II Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Profilvergleich verschiedener Faserverbundkonzepte [1] S. 7 ........... 1

Abbildung 2: Vergleich der Zykluszeiten von FKV-Fertigungstechnologien in der

Automobilproduktion [5] S. 8 .............................................................. 3

Abbildung 3: Hintersitzschale des BMW i3 aus wiederverwertetem CFK [6] ........... 4

Abbildung 4: B-Säule in der Fahrgastzelle [12] ....................................................... 6

Abbildung 5: Verwendete Anlage zum Thermoformen ............................................ 9

Abbildung 6: Versuchsanlage (links), DAQ (rechts) .............................................. 10

Abbildung 7: Presse .............................................................................................. 10

Abbildung 8: Aufbau des Vakuumsacks, modifizierte Darstellung nach [14] S. 7.. 11

Abbildung 9: Foto von Lagenpaketen unter dem OOA-Vakuumsack .................... 12

Abbildung 10: Modelldarstellung von Prepregs vor und nach der Konsolidierung,

übersetzt aus [16] S. 2 ................................................................... 13

Abbildung 11: Modelldarstellung der OOA-Gasdynamik unter dem Vakuumsack 13

Abbildung 12: Foto eines durch ein Vakuumleck misslungenes Organoblech ...... 14

Abbildung 13: Ablaufdiagramm des Thermoformens [17] S. 3 .............................. 15

Abbildung 14: Überblick negativer Effekte beim Verformen von

endlosfaserverstärktem FKV [8] S. 10 ........................................... 15

Abbildung 15: Fotos progressiv belasteter Aluminium- (links) und CFK-Probe

(rechts) [27] S.5 ............................................................................. 17

Abbildung 16: Prinzip des C-Bilds [29] S.33 .......................................................... 18

Abbildung 17: C-Bild eines [0]6-Organobleches .................................................... 19

Abbildung 18: Das verwendete Prepreg Tencate Cetex 910 ................................ 20

Abbildung 19: Feinschliff eines Faserbündels aus einer entnommenen Prepreg-

Probe ............................................................................................. 21

Abbildung 20: Schliffbild des Profils einer Prepreg-Probe ..................................... 22

Abbildung 21: C-Bild einer unkonsolidierten Prepregschicht ................................. 22

Abbildung 22: Befestigen eines Temperaturfühlers auf einer Prepreg-Schicht mit

Polyimid-Klebeband ....................................................................... 24

Abbildung 23: Lage der Temperaturfühler in dem [0]6-Schichtaufbau ................... 24

Abbildung 24: Unkonsolidiertes [0]6-Lagenpaket mit befestigten Temperaturfühlern

im Halbzeug-Träger ....................................................................... 24

Abbildung 25: Temperaturverlauf beim Aufheizen eines unkonsolidierten [0]6-

Lagenpaktes .................................................................................. 25

Masterarbeit VIII

Abbildung 26: Prozessprofil Autoklav .................................................................... 27

Abbildung 27: Temperaturprofile OOA und Autoklav ............................................ 28

Abbildung 28: Im Autoklaven hergestelltes Organoblech ...................................... 28

Abbildung 29: C-Bilder einer Prepreg-Schicht sowie der Autoklaven- und OOA-

Organobleche ................................................................................ 29

Abbildung 30: Schichtspezifische Dicke des Prepregs und der Organobleche ..... 30

Abbildung 31: Feinschliff-Aufnahmen der hergestellten Organobleche ................. 31

Abbildung 32: Organoblech mit eingeschlossenen Temperaturfühlern ................. 35

Abbildung 33: Temperaturgradient eines [0]6-Organoblechs während des

Thermoform-Prozesses ................................................................. 36

Abbildung 34: Foto des thermogeformten Teils mit dem der Temperaturgradient

bestimmt wurde .............................................................................. 37

Abbildung 35: Zwei der ersten thermogeformten Organobleche (Nr. 2, 3) ............ 38

Abbildung 36: Flächiges Werkzeug, Ausgleichsplättchen in Nahaufnahme .......... 39

Abbildung 37: Prinzip der Anwendung von Abstandsplättchen; übertriebene

Darstellung ..................................................................................... 39

Abbildung 38: C-Bilder und Fotos von Nr. 4-6 vor und nach dem Thermoformen . 41

Abbildung 39: Unteres flaches Werkzeug vor (links) und nach (rechts) Abtragen

der Kanten ..................................................................................... 42

Abbildung 40: C-Bilder und Fotos von Nr. 7, 8 vor und nach dem Thermoformen 42

Abbildung 41: Probenentnahme aus Nr. 8 zur Feinschliff-Untersuchung .............. 43

Abbildung 42: Feinschliff-Aufnahmen von Nr. 8 .................................................... 43

Abbildung 43: Flaches Werkzeug mit beidseitig aufgetragener Silikonmatte ........ 45

Abbildung 44: Temperaturgradient eines [0]6-Organoblechs mit Silikonmatten auf

dem Werkzeugpaar ........................................................................ 46

Abbildung 45: Foto des mit Silikonmatte thermogeformten Teils zur Bestimmung

des Temperaturprofils, Nr. 9 .......................................................... 47

Abbildung 46: C-Bilder und Fotos von Nr. 10, 11 vor und nach dem Thermoformen

....................................................................................................... 48

Abbildung 47: Lage der entnommenen Proben von Nr. 11 ................................... 50

Abbildung 48: Feinschliff-Aufnahmen von Nr. 11 .................................................. 51

Abbildung 49: Vergleich von Organoblechen und thermogeformter Teile - C-Bilder

....................................................................................................... 52

Abbildung 50: Vergleich von Organoblechen und thermogeformter Teile –

Schliffbilder .................................................................................... 53

Masterarbeit IX

Abbildung 51: Vergleich von Organoblechen und thermogeformter Teile – Dicke 54

Abbildung 52: Mehrgliedriges Konzept einer B-Säule ........................................... 56

Abbildung 53: Werkzeug mit Hutprofil, rechts mit Silikonüberzügen ..................... 57

Abbildung 54: Ablaufskizze des Halbzeug-Pressens (je Werkzeug 120 mil

Silikonschichtdicke aufgetragen) .................................................... 58

Abbildung 55: Thermogeformtes Teil Nr. 12 ......................................................... 59

Abbildung 56: Hutprofil-Werkzeuggeometrie in geschlossenem Zustand ............. 60

Abbildung 57: Abstandsverhältnisse zwischen den Seitenwänden im

geschlossenen Werkzeug .............................................................. 61

Abbildung 58: Thermogeformtes Hutprofil Nr. 13 .................................................. 62

Abbildung 59: Aneinandergereihte Feinschliff-Aufnahmen des Profils von Nr. 13 64

Abbildung 60: Geometrie des Hutprofil-Werkzeugs [mm] ..................................... 65

Abbildung 61: Nahaufnahmen der Feinschliff-Bilder von Abbildung 59 mit 90°-

Perspektive .................................................................................... 66

Abbildung 62: Nahaufnahmen der Feinschliff-Bilder von Abbildung 59 mit 0°-

Perspektive .................................................................................... 67

Abbildung 63: Skizziertes Dickenprofil von Nr. 13 ................................................. 68

Abbildung 64: Maße des Hutprofil-Werkzeugs [mm] ........................................... A-2

Abbildung 65: Halbzeugträger ............................................................................. B-3

Abbildung 66: Lagenpakete unter dem Autoklaven-Vakuumsack ....................... B-3

Abbildung 67: Entnommene Proben des Prepregs zur Anfertigung von

Schliffbildern ................................................................................ B-4

Abbildung 68: Prepreg-Schliffbild (1) ................................................................... B-4



Abbildung 71: Prepreg-Schliffbild Nahaufnahme ................................................. B-5

Abbildung 72: Schliffbild Organoblech OOA 222°C (1) ....................................... B-5



Masterarbeit X

III Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Abgrenzung und Erläuterung spezieller Begriffe .................................... 5

Tabelle 2: Verwendete Parameter für Nr. 0 ........................................................... 25

Tabelle 3: Verwendete Parameter zum Messen des Temperaturprofils (Nr. 1) .... 35

Tabelle 4: Verwendete Parameter für Nr. 2 und 3 ................................................. 37

Tabelle 5: Verwendete Parameter für Nr. 4, 5 und 6 ............................................. 40

Tabelle 6: Verwendete Parameter für Nr. 7 und 8 ................................................. 42

Tabelle 7: Verwendete Parameter zum Bestimmen des Temperaturprofils mit

Silikonmatte (Nr. 9) ............................................................................... 46

Tabelle 8: Verwendete Parameter für Nr. 10 und 11 ............................................. 48

Tabelle 9: Verwendete Parameter für das Thermoformen von Autoklav- und OOA -

Organoblechen ..................................................................................... 51

Tabelle 10: Verwendete Parameter für Nr. 12 ....................................................... 59

Tabelle 11: Verwendete Parameter für Nr. 13 ....................................................... 62

Tabelle 12: Zusammenfassung der ermittelten, optimalen Parameter .................. 72

Tabelle 13: Modelldaten der verwendeten Geräte .............................................. A-2

Tabelle 14: Maß der Werkzeugoberflächen ........................................................ A-2

Tabelle 15: Versuchsübersicht flächiges Thermoformen .................................... C-7

Tabelle 16: Versuchsübersicht Thermoformen mit Hutprofil-Werkzeug .............. C-8

1 Einleitung und Motivation 1

1 Einleitung und Motivation

Seit CFK im Sinne des Leichtbaus zunehmend im Automobil angewendet wird, und

solange Fahrzeuge wie der BMW i3 oder i8 Nischenmärkte bedienten, waren die

damit verbundenen hohen Kosten vertretbar. Seitdem beispielsweise BMW solche

Fahrzeuge aber in größerer Anzahl vertreiben will, müssen die Kosten sinken.

Große Anteile an den Kosten haben zum einen die energieintensive Karbonfaser-

produktion, und zum anderen die Fertigung des Rohmaterials zum Bauteil. Die Ko-

sten von ersterem lassen sich bis auf weiteres weniger deutlich senken als letztere,

weshalb es an der Automatisierung der Fertigung liegen wird, signifikante Fort-

schritte in der Großserienverwendung von CFK zu erzielen [1], S.16. Eine vielver-

sprechende Stellschraube hierfür ist die Matrix des Faserverbundmaterials. Man hat

die Wahl aus thermoplastischer und duroplastischer Matrix. Sämtliche Strukturbau-

teile im Automobil haben bisher eine duroplastische Matrix, die im Falle von BMW

per „High Pressure Resin Transfer Moulding“ (HP-RTM) in die textile Preform inji-

ziert wird. Beides, die duroplastische Matrix, als auch ihr Verarbeitungsverfahren,

muss in Frage gestellt werden wenn neue, kosteneffektivere Wege beschritten wer-

den sollen. Abbildung 1 gibt zunächst einen Überblick über die verschiedenen Fa-

serverbundkonzepte.

Abbildung 1: Profilvergleich verschiedener Faserverbundkonzepte [1] S. 7

In dieser Arbeit wird ein typisches crashbelastetes Strukturteil aus dem Automobil-

bau betrachtet. Dabei handelt es sich um eine B-Säule. Die Hauptfunktion der B-


Säule besteht im Herstellen der Sicherheit indem es vor einem Seitenaufprall schüt-

zen soll. Wenn einem Rahmenbauteil im Auto das Aufnehmen oder Ableiten von

Crashlasten zugewiesen wird, dann müssen sich die anderen Aufgaben die es er-

füllen muss in der Regel unterordnen oder werden dadurch bereits abgedeckt. Ge-

genüber dieser zentralen Funktion ist eine thermoplastische gegenüber einer duro-

plastischen Matrix im Vorteil

durch ein zäheres sowie schadenstoleranteres [2] S.143 Verhalten bei

Schlagbeanspruchung sowie

einer exorbitant größeren Bruchdehnung [3] S. 29, die weit mehr als das

zehnfache als bei duroplastischen Matrices betragen kann.

Die in dieser Arbeit zur Anwendung kommende Matrix, um es bereits vorweg zu

nehmen, besteht aus Polyamid 6 (PA6), was eine nominelle Bruchdehnung zwi-

schen 20 und 50% besitzt [4] S.557. Hieraus lässt sich ableiten, dass die mechani-

schen Kennwerte einer thermoplastischen Matrix im Sinne der Crashbelastung je-

nen einer spröden, unflexiblen duroplastischen Matrix überlegen sind.

Neben den mechanischen Anforderungen muss die Herstellbarkeit mit dem Poten-

tial von verringerbaren Kosten gegeben sein. Die Entscheidung für eine Technolo-

gie eines Großserienprodukts ist eng verbunden mit dem Grad seiner Automatisier-

barkeit. Es ist für den Erfolg eines produzierenden Unternehmens zwingend erfor-

derlich, dass es seine Großserienprodukte automatisiert herstellen kann. [2] S. 144

beschreibt bereits allgemein, dass Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) mit thermopla-

stischen Matrices kürzere Prozesszeiten kennzeichnen als FKV mit duroplastischer

Matrix. Abbildung 2 gibt hierzu einen Überblick. Es zeigt, abhängig von Faserlänge

und Matrixart, die Zykluszeiten von FKV-Fertigungstechnologien im Automobilbau

auf.


Abbildung 2: Vergleich der Zykluszeiten von FKV-Fertigungstechnologien in der Automobilproduktion [5] S. 8

Für crashrelevante Strukturbauteile kommen selbstverständlich nur die Hoch-

leistungscomposites der „endlosfaserverstärkten“ Kunststoffe, also jene in der

„endless“-Zeile in Betracht. Das heute eingesetzte HP-RTM-Verfahren hat immerhin

die Zykluszeit von über 15 auf grob 2 Minuten reduziert, was in der Automobilindu-

strie für die Anwendung von endlosfaserverstärkten FKV ein wichtiger Schritt war.

Hiernach besteht ferner das Potential, dieses abermals zu halbieren durch

a) die Anwendung einer thermoplastischen Matrix und

b) den Übergang vom HP-RTM zum Thermoformen (hier: „Thermo-stamping“).

Ein weiterer Faktor der den Einsatz einer thermoplastischen Matrix rechtfertigt, ist

die Umweltverträglichkeit, da Thermoplasten, im Gegensatz zu Duroplasten, wie-

derverwertet werden können. Dies kann dadurch geschehen, dass das endlosfa-

serverstärkte Bauteil zunächst zerkleinert, aufgeschmolzen und sodann granuliert

wird. Folgend kann es beispielsweise einer Spritzgussmaschine zugeführt werden

zur Herstellung eines neuen Produkts (aus nun kurzfaserverstärkten Kohlenstofffa-

sern). Mit thermoplastischen Matrices sind also geschlossene Produktlebenszyklen

erreichbar. Abbildung 3 zeigt exemplarisch ein solches aus CFK-Abfall hergestelltes

Bauteil: Eine Hintersitzschale des BMW i3.


Abbildung 3: Hintersitzschale des BMW i3 aus wiederverwertetem CFK [6]

Weitere Vorteile, die sich aus der Schmelzbarkeit von thermoplastischen Matrices

ergeben sind folgend gelistet:

Sie schafft eine größere Gestaltungsfreiheit in der Fügetechnik.

Sie hilft, Reparaturkonzepte von Autos mit hohem FKV-Anteil zu realisieren.

2 Themavorstellung 5

2 Themavorstellung

Die Begrifflichkeit des Composite-Thermoformens klar zu umreißen ist schwierig.

Eine Norm, die die verschiedenen Verfahren eindeutig voneinander abgrenzt wurde

nicht gefunden. Es mag daher nicht verwundern, dass die Lage in der Literatur un-

übersichtlich ist: So redet beispielsweise [7], S.106 von „Hot Forming“; ein Begriff,

der sämtliche pressende Verarbeitungsverfahren von FKV umfassen soll. Für [8] S.

3 sind diese hingegen allesamt „Thermoforming-Technologien“. In Abbildung 2

(bzw. [5] S.8) wird Thermostempeln („Thermo-stamping“) neben dem Formpressen

(„Compression molding“) erwähnt; in [9] S. 8 wiederum wird das „Thermoformen

von endlosfaserverstärkten Organoblechen“ innerhalb des „Formpressen“-Kapitels

subsumiert. Weitere Begriffe wie Stempel-Formen [10], Kaltstempeln und andere

deren Wesensunterschiede nicht festzustellen sind, sind in der Literatur zu sichten.

[11] S. 71-74 beschreibt das Umformen auf Endkontur von erhitzten Organoblechen

aus endlosfaserverstärkten Thermoplast-Tapes in einem Formwerkzeug als groß-

serientaugliches Verfahren in der Automobilindustrie und nennt dies „Thermofor-

men“. Dies entspricht exakt dem in dieser Arbeit angewandten Verfahren und wird

im Weiteren in dieser Arbeit als Thermoformen definiert. Um weitere Missverständ-

nisse auszuschließen, sind in Tabelle 1 spezielle Fachbegriffe samt ihrer Bedeutung

im Kontext dieser Arbeit gelistet.

Tabelle 1: Abgrenzung und Erläuterung spezieller Begriffe

Konsolidieren Der Prozess, der durch Wärmezufuhr gestapelte Prepreg-Schichten miteinander vereinigen und Fasern tränken lässt

Unkonsolidiert Prepreg-Schichten, die den Konsolidierungsprozess nicht er-fahren haben, d. h. unverschmolzen vorliegen

Lagenpaket Gestapelte, ggf. punktuell verbundene und ansonsten unkon-solidiert vorliegende Prepreg-Schichten

Vorimprägniert Teilweise imprägniert vorliegend; jedoch ist eine Weiterverar-beitung erforderlich um vollständige Fasertränkung zu erzielen

Laminat / Mehr-schichtverbund

Konsolidierte Prepreg-Schichten

Organoblech Laminat mit der Funktion als flächiges Halbzeug

C-Bild Flächiges Ultraschallbild in dem Abweichungen des Audio-signals durch farbliche Unterschiede erkennbar werden und das zur zerstörungsfreien Defekterkennung zweidimensionaler Gegenstände genutzt werden kann


Wärmeformbe-ständigkeit

Temperatur, die als untere Schranke für ein Verformungsver-mögen von Polymerwerkstoffen interpretiert werden kann; Sie liegt für das hier verwendete Material bei 200°C (s. Anhang A.1) und damit unterhalb der Schmelztemperatur

Diese Arbeit erfolgt im Rahmen eines großen Forschungsvorhabens zur Auslegung

sowie technologischen Entwicklung einer B-Säule auf Basis von thermoplastischem

CFK. Sie grenzt sich zu den anderen Teilprojekten darin ab, dass sich hier mit dem

Aspekt der Fertigungstechnologie befasst wird. Sie steht am Anfang der Untersu-

chung zur Bauteilfertigung. Die betrachtete Fertigungstechnologie Thermoformen

wird zunächst abstrahiert, d. h. mittels vereinfachter Formen in kleinerem Maßstab

durchgeführt und bewertet. Sie kann als Vorentwicklung oder Voruntersuchung in-

terpretiert werden, die den Weg für weiterführende Untersuchungen bereiten soll

mit dem Ziel, eine komplette B-Säule im Originalmaßstab thermoformen zu können.

Eine B-Säule, als integrierter Bestandteil der Fahrgastzelle, ist in Abbildung 4 zu

sehen.

Abbildung 4: B-Säule in der Fahrgastzelle [12]

Thermoformen heißt, dass Halbzeuge, nachdem sie bis oberhalb ihrer Schmelz-

temperatur aufgeheizt wurden, umgeformt werden. Das Halbzeug selber ist also

Voraussetzung und zentraler Gegenstand des Thermoformens. Deshalb wird sich

zu Beginn sehr ausführlich mit der Herstellung der Halbzeuge beschäftigt werden.


Dies schließt die eingehende Analyse des unverarbeiteten Prepregs, also des Aus-

gangsmaterials ein. Zu klären ist zunächst, ob und wie die Prepreg-Schichten aus

denen das Halbzeug zusammengesetzt wird, konsolidiert werden. Ausgehend da-

von werden per Out-Of-Autoclave (OOA)-Verfahren Organobleche, also Halbzeuge

aus miteinander konsolidierten Schichten, hergestellt. Zu bestimmen ist dann, mit

welchen Prozessparametern eine hochwertige Qualität dieser Organobleche er-

reicht werden kann. Mit Qualität ist gemeint:

geringe Porosität (also ein möglichst geringer Volumenanteil an Luftein-

schlüssen),

stabile und hohe Kompaktierung (Vergrößerung des Faservolumengehalts)

sowie

Gleichförmigkeit (für ein homogenes, beherrschbares Eigenschaftsprofil).

Die Prüfung der Halbzeuge erfolgt per

Ultraschall,

Dickenmessung sowie

Schliffbildmikroskopie.

Zudem werden Halbzeuge im Autoklaven hergestellt. Hierdurch wird eine Referenz

geschaffen, da maximal erreichbare Qualität im Autoklaven erzielt wird. Es ist daher

zu bewerten, wie nah OOA-Qualität an jene im Autoklaven erzielte Qualität heran-

reichen kann.

Anschließend erfolgt das Thermoformen mit einem flächigen, ebenen Werkzeug.

Dies dient einerseits dazu, sich mit der Thematik und dem System vertraut zu ma-

chen. Andererseits sollen damit die Effekte aus den Verfahrens- und Anlagenpara-

metern möglichst unverfälscht erkennbar werden. Dies ermöglicht dann, Anpassun-

gen der Parameter vorzunehmen um diesen Effekten zu begegnen. Durch das flä-

chige Zusammenpressen der erhitzten Halbzeuge lassen sich sodann bereits erste

Schlüsse ziehen über die Parameter und ihr Einfluss auf die Qualität der zu formen-

den Teile. Ob ihre Qualität gar durch das Pressen verbessert werden kann ist von

zentralem Interesse. Daher werden die Organobleche untersucht, anschließend

thermogeformt und diese Teile erneut untersucht. Wie sich also das Thermoformen


auf das spezifische Halbzeug auswirkt (Qualität aber auch das Auftreten von Pro-

zesseffekten), wird in einem vorher/nachher-Vergleich dargelegt werden. Die Er-

kenntnisse werden dann für den Erfolg des nächsten Arbeitsschritts, dem Thermo-

formen mit komplexer Werkzeuggeometrie, dienlich sein. Beispiele hierfür sind:

welche Drücke, Halbzeugtemperaturen und Werkzeugtemperierungen för-

derlich sind,

wieviel Zeit kritische Prozessschritte benötigen,

welche Effekte zu beobachten sind,

welche Maßnahmen zur Kontrolle dieser ergriffen werden können,

ob und wie sich die Halbzeugqualität verändert.

Die Prüfung der Resultate erfolgt wie oben mit den drei Maßnahmen Ultraschall,

Dickenprüfung und Schliffbildmikroskopie.

Mit dem Wechsel zum komplexen Werkzeug werden mit zuvor als geeignet erwie-

senen Parametern Hutprofile thermogeformt. Die Prozessparameter werden hier-

nach angepasst und neu eingestellt. Effekte die sich negativ auswirken werden ana-

lysiert und erneut Maßnahmen für ihre Beherrschung ergriffen. In der Prüfmatrix

entfällt nun das Ultraschallverfahren, da es sich durch die räumliche Form des Teils

nicht mehr eignet. Nachdem man das Verfahren schließlich stabilisiert hat, wird die

final erzielte Qualität evaluiert. Sie markiert das Ende der Arbeit die dann als Aus-

gangspunkt und Grundlage für die fortzusetzende Entwicklung einer B-Säule aus

FKV dient.

Die Anlage besteht aus drei wesentlichen Bestandteilen:

Halbzeugträger,

Infrarot (IR)-Heizkörper,

Presse mit auswechselbarem Werkzeug.

Marke und Modell aller verwendeten Geräte sind in Anhang A.2 (Tabelle 13) aufge-

listet. Die Versuchsanlage funktioniert wie folgt: Im Halbzeugträger wird das Halb-

zeug befestigt, welches auf einem Schienensystem zu den Infrarot-Heizkörpern


gleiten kann. Hier wird es auf eine zuvor festzulegende Temperatur erhitzt. An-

schließend gleitet es weiter in die Presse. Dort angekommen wird diese geschlos-

sen und das Halbzeug in die Form gepresst. Nachdem es abgekühlt ist (Wärme-

formbeständigkeit muss mindestens unterschritten werden) wird die Presse geöff-

net und das thermogeformte Teil entnommen. Folgend ist in Abbildung 5 die Ver-

suchsanlage dargestellt.

Abbildung 5: Verwendete Anlage zum Thermoformen

Für die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche wird ein Halbzeugträger verwen-

det mit Maßen, die es genau zwischen einem vertikalen Paar von Heizkörpern pas-

sen lassen. Ein Bild des Halbzeugträgers ist in Anhang B (Abbildung 65) hinterlegt.

Die IR-Heizkörper können auf eine bestimmte Temperatur eingestellt werden, die

sie dann konstant halten. Sie werden mittels eines Datenerfassungssystems (engl.

„DAQ“ für Data Acquisition) angesteuert. Dieses übernimmt auch die Aufnahme von

Messdaten. Die vier Heizkörper die sich am weitesten weg von der Presse befinden

haben keine Bedeutung in dieser Arbeit weshalb sie anfangs weggelassen wurden.

Abbildung 6 zeigt je ein Foto der Versuchsanlage (links) und des DAQ (rechts).


Abbildung 6: Versuchsanlage (links), DAQ (rechts)

Die Presse, dargestellt in Abbildung 7, kann auf das Grad genau temperiert werden

und einen Masseauftrag zwischen 3 und 150 Tonnen applizieren. Für die Umrech-

nung in Kraft gilt die Gesetzmäßigkeit F = m*g. Wenn am Regler also bspw. 3 Ton-

nen eingestellt werden, liegen 3000 kg*9,81 m/s2 = 29,4 kN an. Für eine Umrech-

nung in Druck muss die Kraft durch die Fläche die sie aufnimmt dividiert werden

(P=F/A). Die in dieser Arbeit verwendeten Werkzeuge haben eine Fläche von ca.

200 in2 (flaches Werkzeug: 198 in2; Hutprofil-Werkzeug: 202 in2). Bei drei Tonnen

Masseauftrag liegt also z.B. bei Anwendung des flachen Werkzeugs ein Druck von

P = 29400 N / 198 in2 = 148,5 N/in2 = 0,23 N/mm2 = 2,3 bar an.

Abbildung 7: Presse

3 Grundlagen 11

3 Grundlagen

Unter dem Begriff Out-Of-Autoclave werden Verarbeitungsverfahren von faserver-

stärkten Kunststoffen subsumiert, die nicht im Autoklaven stattfinden, mit denen

aber eine vergleichbare Qualität erzielt werden kann [13] S. 442/443. Die Autokla-

ventechnologie verbindet extremal hohe Kosten mit extremal hohen Zykluszeiten

[13] S. 472 weshalb sie für die Automobilindustrie nicht in Frage kommt. Da auf die

B-Säule aber enorme Kräfte wirken, muss dementsprechend trotzdem eine hohe

Qualität erzielt werden. Die OOA-Technologie ist sehr modern mit vielversprechen-

dem Entwicklungspotential. Flugzeughersteller reden von einer bevorstehenden

„dritten Generation“ von Prepregs, deren Verarbeitung per OOA ohne Qualitätsein-

bussen gegenüber der Autoklaventechnologie möglich sei ([13] S. 442/443). Die

Zulassung und der Einsatz OOA-hergestellter Primärstrukturteile stünden demnach

kurz bevor.

Die hier zur Anwendung kommende OOA-Technologie ist das Vakuumsackverfah-

ren. Der Aufbau des Vakuumsacks wie er in dieser Arbeit zur Anwendung kommt,

ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8: Aufbau des Vakuumsacks, modifizierte Darstellung nach [14] S. 7

Auf einer gereinigten Stahlplatte wird Antihaftmittel aufgetragen. Dies geschieht, da-

mit das aufzuschmelzende Thermoplast nicht auf der Platte anhaftet. Hierauf legt

man den Prepreg-Schichtaufbau. Dieser wurde zuvor punktuell verschweißt um

seine Schichten definiert zu fixieren. Der Schichtaufbau wird dann komplett mit ei-

nem Kevlargewebe („Sauggewebe“) und dieses wiederum mit einem Glasfaserge-

webe („Atmungsgewebe“) bedeckt. Über dieses Gebilde wird schließlich eine Folie

aus Kapton („Vakuumfolie“) gelegt. Die Vakuumfolie wird sodann per Versiege-

lungsband mit der Stahlplatte luftdicht verbunden. Auf der Vakuumfolie und über

den Geweben wird dann der Vakuum-Anschluss montiert, mit dem die Luft aus dem

3 Grundlagen 12

Vakuumsack herausgesaugt werden kann. Die Gewebe haben die Funktion, Luft-

durchlässigkeit herzustellen, denn während des Konsolidierungsprozesses löst sich

Luft die aus dem Schichtaufbau entweichen können muss. Die Materialien Kevlar,

Glas und Kapton wurden ausgewählt, da sie den hier verwendeten Temperaturen

von bis zu 271°C standhalten (z.B. nicht verformen oder schmelzen). Ein Foto eines

präparierten OOA-Vakuumsacks befindet sich in Abbildung 9.

Abbildung 9: Foto von Lagenpaketen unter dem OOA-Vakuumsack

Prepregs sind sogenannte vorimprägnierte Halbzeuge. Das bedeutet, dass die Fa-

sern nicht separat zur Matrix vorliegen wodurch ein Prozess zur Vermengung durch-

geführt werden müsste (wie beispielsweise ein rein textiles Halbzeug das später

von einem Harz imprägniert wird). Ihr „Grundprinzip“ ist „die Trennung des Trän-

kungsvorgangs bei der Verbundwerkstoffherstellung vom eigentlichen Herstellen

der Bauteilform“ [15] S. 382. Sie sind nicht vollständig sondern nur teilweise mit der

Matrix benetzt, was sie zu einer hochgradig porösen Struktur macht.

Das in dieser Arbeit verwendete Prepreg wird nach Herstellerauskunft durch ein

Schmelzimprägnierungsverfahren produziert. Hierbei wird geschmolzene Matrix auf

trockene Faserbündel aufgetragen. Es gibt verschiedene Varianten dieses Verfah-

rens. Eines davon besteht beispielsweise darin, die Faserbündel durch ein Bad aus

Matrixschmelze zu ziehen. In allen Varianten bleiben Lufteinschlüsse, vornehmlich

innerhalb der Faserbündel, erhalten. Dies liegt in der thermoplastischen Matrix be-

3 Grundlagen 13

gründet, die hochviskos ist, und die schwer in die dicht gepackten Filamente hinein-

gelangen kann. Dies ist nicht notwendigerweise ein Nachteil sondern wird mitunter

gezielt eingestellt. Sie dienen als Luftkanäle wodurch optimale Konsolidierungser-

gebnisse (niedrige Porosität) erzielt werden soll. Ein äußeres Auftragen der Matrix-

schmelze wie oben exemplarisch beschriebenen begünstigt ebenfalls innere Luf-

teinschlüsse. Abbildung 10 veranschaulicht, wie der Ausgangszustand eines

schmelzimprägnierten Prepregs vorzustellen ist (linkes Bild) und der ideale, luftein-

schlussfreie und vollständig getränkte Zustand nach der Konsolidierung (rechtes

Bild).

Abbildung 10: Modelldarstellung von Prepregs vor und nach der Konsolidierung, übersetzt aus [16] S. 2

Die Verarbeitung von Prepregs erfolgt in dieser Arbeit per Vakuumsack im Ofen,

d. h. per OOA. Das Ziel hierbei ist, gestapelte Prepreg-Schichten miteinander zu

verschmelzen und dabei die eingeschlossenen Gase, d. h. Luft und Feuchtigkeit, zu

entfernen („Organoblechherstellung“). Die Lagenpakete werden hierfür bis oberhalb

der Schmelztemperatur erhitzt. Die eingeschlossene Feuchtigkeit wird bei steigen-

der Temperatur dampfförmig und gemeinsam mit der bereits gasförmig vorliegen-

den Luft leichter (die Dichten sinken). Sie drängen dadurch zu evakuieren, und zwar

vornehmlich nach oben. Sie entweichen dann tatsächlich auch nach oben, jedoch

hauptsächlich zu und über die Ränder [16] S. 1f. Dies liegt in der flächigen Permea-

bilität begründet, die entlang der Fasern ausgeprägter ist als in vertikaler Richtung

zwischen Faserbündel und Schichtoberflächen. In Abbildung 11 ist dieser Prozess

dargestellt.

Abbildung 11: Modelldarstellung der OOA-Gasdynamik unter dem Vakuumsack

3 Grundlagen 14

Parallel zur beschriebenen Gasdynamik nimmt mit steigender Temperatur auch die

Viskosität der Matrix ab. Hierdurch drängt sie in die Faserbündel hinein, die von der

entweichenden Luft freigegeben wird. Nachdem sichergestellt wurde, dass die ein-

gestellte Temperatur das gesamte Lagenpaket erreichte (eine hinreichende Halte-

zeit der eingestellten Temperatur kann sich hierfür eignen), wird sie wieder auf

Raumtemperatur reduziert. Nachdem die Organobleche dann aus dem Vakuum-

sack entnommen werden, kann optisch und ggf. auch akustisch eine erste Einschät-

zung darüber abgegeben werden, ob die Konsolidierung gelang. Beispielsweise las-

sen ovale Spreizungen an den Oberflächen des Organoblechs auf ein Vakuumleck

schließen (ein Beispiel hierfür ist in Abbildung 12 gegeben). Ein punktuelles Abklop-

fen des Organoblechs kann ferner Hinweise für inhomogene Konsistenz, und damit

partiell verbliebene Einschlüsse geben. Flächige Ultraschallbilder („C-Bilder“) und

Feinschliff-Aufnahmen können allerdings verlässlichere Aussagen liefern und kom-

men daher in dieser Arbeit zur Anwendung.

Abbildung 12: Foto eines durch ein Vakuumleck misslungenes Organoblech

Der Ablauf des Thermoformens ist folgendermaßen: Nachdem das (ggf. konsoli-

dierte) Halbzeug dimensioniert wurde, wird es auf die festzulegende Umformtem-

peratur aufgeheizt und ins Umformwerkzeug weitergeleitet. Die Presse schließt sich

nun und das aufgeschmolzene Organoblech wird in die Form gedrückt. Während

die Presse geschlossen und der Druck appliziert ist, kühlt das Bauteil ab und verfe-

stigt sich wieder. Als letzter Schritt wird die Presse geöffnet und das erkaltete, ge-

formte Bauteil entnommen. In Abbildung 13 ist das Ablaufdiagramm des Thermo-

formens dargestellt.

3 Grundlagen 15

Abbildung 13: Ablaufdiagramm des Thermoformens [17] S. 3

Die Prozessschritte, die nach dem Aufheizen des Halbzeugs durchgeführt werden

haben in möglichst kurzer Zeit zu erfolgen. Das sind zum einen der Transport von

den Heizkörpern bis zur Presse und zum anderen das Schließen der Presse. Je

kürzer die Zeitspannen sind, desto geringer ist die Abnahme der Temperatur nach

dem Erwärmen. Dadurch kann der Prozess kontrollierter ablaufen.

Der kritischste Verfahrensschritt ist die Umformung: der Kontakt mit dem Werkzeug

und das Aufbringen des Druckes auf das teils feste (Fasern) und teils viskose (er-

hitzte Matrix) Halbzeug. Folgend einige der Parameter, die sich auf das Resultat

unmittelbar auswirken und die Komplexität des Thermoformens verdeutlichen sol-

len:

Temperaturspezifische Faser- und Matrixeigenschaften bei Werkzeugkon-

takt,

Schichtaufbau,

Halbzeugdicke,

Klemmkraft und –richtung durch den Halbzeugträger,

Pressgeschwindigkeit,

Pressdruck,

Werkzeugoberfläche,

Werkzeugtemperatur.

Sind alle Parameter nicht optimal eingestellt, und gleichen sich die Effekte nicht aus,

können Defekte beobachtet werden wie in Abbildung 14 dargestellt.

Abbildung 14: Überblick negativer Effekte beim Verformen von endlosfaserverstärktem FKV [8] S. 10

(a) stellt inhomogene Dicke dar, die durch ungleichmäßigem Druck auftreten kann;

3 Grundlagen 16

(b) beschreibt die Umverteilung bzw. Abfluss der Matrix („Matrixmigration“) für das

beispielsweise eine zu hohe Matrixtemperatur ursächlich sein kann;

(c) und (d) zeigen Faltenschlag der Fasern. Es sind typische Drapiereffekte die bei-

spielsweise durch unausgeglichene Druckverhältnisse entstehen können. Intralami-

nare Reibung zwischen Schichten unterschiedlicher Faserorientierung ist ebenfalls

eine potentielle Ursache für Faltenschlag [18] S. 10.

(e) stellt das Rutschen von Fasern je Schicht und ganzen Schichten im Halbzeug

selbst dar. Fehlende Faserdehnbarkeit [8] S. 11 und intra- bzw. interlaminare Sche-

reffekte [18] S. 11 kommen als Ursache hierfür in Betracht.

Anschauliche Muster dieser Effekte können in [19] Kapitel 4 eingesehen werden.

Die Kontrolle dieser Effekte hängt selbstverständlich von einer Kontrolle ihrer Ursa-

chen ab. Hierfür müssen die genauen Wirkweisen bekannt sein. Genau diese sind

allerdings immer noch nicht genau verstanden [18] S. 43. Sie sind breiter, multidiszi-

plinärer Forschungsgegenstand, über die detailreiche Werke geschrieben werden,

siehe z.B. [19], [18], [20], [21], [22]. Durch ein besseres Verständnis erhofft man

sich insbesondere, das Erstellen von geeigneten Simulationsmodellen für das Ther-

moformen von Composites zu erleichtern. Bis heute sind diese immer noch weitest-

gehend unbefriedigend. Ansätze sind bspw. in [23] und [24] beschrieben. Aufgrund

der aufgezeigten Schwierigkeiten das Thermoformen simulativ durchzuführen, wird

im Rahmen dieser Arbeit ein explizit experimenteller Ansatz gewählt.

Hochleistungscomposites waren lange hauptsächlich in den Branchen Luft- und

Raumfahrt und der Verteidigung vertreten. Die Crashbeanspruchung in dem Sinne

wie sie für die Automobilindustrie relevant ist, hatte und hat hier nur marginale Be-

deutung. Die Projektilpenetration von Panzerungen oder Temperaturverhalten und

Zuverlässigkeit sind hier wesentlichere Zielgrößen. Zwar findet beispielsweise bei

der Helikopterentwicklung auch der Crash Berücksichtigung; Er spielt dort aber eine

untergeordnete Rolle, wohingegen er im Automobilbau dominiert. Seit die Automo-

3 Grundlagen 17

bilindustrie zunehmend Composites anwenden möchte, gewinnt die Crashbean-

spruchung demnach an Bedeutung. Relevante Publikationen hierzu sind z.B. [25],

[26] und [27].

In [27] wird ein Experiment zur Charakterisierung der Energieaufnahme von FKV

durchgeführt. Hier wird eine längliche Probe mit konstantem Profil axial in Längs-

richtung belastet. Abbildung 15 zeigt das Ergebnis eines solchen Tests für eine Alu-

miniumlegierung und einer CFK-Struktur. Die Bilder zeigen, dass die Versagens-

modi die die Energiedissipation bewirken unterschiedlich sind. Die Probe aus Alu-

minium versagt prinzipiell durch Faltenbeulen, wohingegen dies bei FKV durch Bil-

dung neuer Oberflächen, und damit Fragmentierung und Reibung geschieht [27]

S.5.

Abbildung 15: Fotos progressiv belasteter Aluminium- (links) und CFK-Probe (rechts) [27] S.5

Gleichfalls lässt sich die Energieaufnahme in diesem Experiment nach [27] rechne-

risch bestimmen. Für F als momentane Kraft und s als Länge der zerstörten Probe

nach Ende des Tests wird die in der Probe umgesetzte Energie berechnet mit

𝐸 = ∫ 𝐹(𝑠)𝑑𝑠𝑠

𝑠=0

. (3.1)

Hieraus wird die spezifische Energieaufnahme (SEA) bestimmt. Sie gibt die je Mas-

seeinheit aufgenommene Energie an:

𝑆𝐸𝐴 =𝐸𝑙

𝑚𝑠 . (3.2)

Es ist dabei l die ursprüngliche Probenlänge, m die Masse, und s entsprechend

Gleichung (3.1) die zerstörte Probenlänge.

3 Grundlagen 18

Eine der in dieser Arbeit durchgeführten Prüfmethoden ist die Ultraschallanalyse.

Von den verschiedenen Darstellungsweisen der Ultraschallverfahren kommt in die-

ser Arbeit das C-Bild zur Anwendung (laut [28] S. 233 die am häufigsten verwendete

Darstellungsweise für faserverstärkte Kunststoffe). Abbildung 16 zeigt eine Prin-

zipskizze des C-Bilds.

Abbildung 16: Prinzip des C-Bilds [29] S.33

Das Verfahren läuft wie folgt ab: Es wird das zu untersuchende Werkstück zunächst

in einem Wasserbad in einer Montagevorrichtung fixiert. Anschließend bewegt sich

der Prüfkopf rasterförmig entlang des Werkstücks. Ein Computer überführt sodann

das Audiosignal in ein zweidimensionales Bild mit Farbgradientenprofil. Stellen von

deutlichen Farbabweichungen können auf Lufteinschlüsse bzw. Delaminationen

hinweisen. Allerdings kann die Anomalie des Audiosignals an diesen Stellen auch

andere Ursachen haben. Wenn beispielsweise vor der Analyse das Werkstück mit

bloßen Händen angefasst wurde, können Fingerabdrücke auf dem Bild erkennbar

sein die von inneren Fehlstellen ggf. nicht unterschieden werden können. Um Fehl-

stellen zweifelsfrei zu identifizieren müssen entweder

alle anderen Ursachen für die Signalabweichung ausgeschlossen

oder

andere Verfahren zur Verifizierung herangezogen werden.

Eine Verifizierung kann beispielsweise, wie es in dieser Arbeit der Fall sein wird,

durch eine mikroskopische Betrachtung von herausgetrennten Proben geschehen

(Schliffbildmikroskopie).

3 Grundlagen 19

Ein Beispiel zur Interpretation eines C-Bildes ist in Abbildung 17 dargestellt. Es zeigt

ein C-Bild eines Organoblechs. Hier sind rote linienförmige Flecken auffällig die al-

lesamt in einer Richtung orientiert sind (identisch mit der Faserrichtung, die eben-

falls aus dem Bild heraus erkannt werden kann). Es deutet auf unzureichend kon-

solidierte Stellen, also eingeschlossene Luft bzw. partielle Delaminationen hin.

Abbildung 17: C-Bild eines [0]6-Organobleches

4 Halbzeugentwicklung 20

4 Halbzeugentwicklung

Für den anvisierten Anwendungsbereich sind die Matrixeigenschaften des verwen-

deten Prepregs von hoher Bedeutung. Als crashresistentes Strukturbauteil im Au-

tomobil muss die Matrix eine Reihe an Anforderungen erfüllen, und zwar minde-

stens:

Betriebstemperaturen zwischen -30°C und 80°C standhalten,

eine hohe Zähigkeit besitzen (mindestens 10% Bruchdehnung),

chemikalisch resistent sein.

Das Prepreg, das hierfür schließlich ausgewählt wurde ist Tencate Cetex 910. Es

ist ein unidirektionales Gelege („UD“-Gelege) mit einer Matrix aus PA6. PA6 deckt

die oben aufgezählten Anforderungen ab, einschließlich einer hohen Schlagresi-

stenz und Zähigkeit. Hierdurch bringt es für den hier behandelten Anwendungsfall

das geeignete Potential für einen erfolgreichen Einsatz mit. Es gibt auch leistungs-

fähigere Matrices mit besseren crashrelevanten Eigenschaften; Da für die Automo-

bilindustrie aber auch die Prepregkosten von hoher Bedeutung sind, können kost-

spielige Prepregs nicht in Betracht gezogen werden. Abbildung 18 zeigt das Roh-

material, also eine Rolle von Tencate Cetex 910.

Abbildung 18: Das verwendete Prepreg Tencate Cetex 910


Bevor es an das Thermoformen geht, wird sich genauer mit dem Rohmaterial be-

schäftigt. Charakteristika und Strukturmerkmale können helfen, Verarbeitungspro-

zesse auf das Material einzustellen und ggf. auftretende Effekte besser zu verste-

hen. Bis auf die im Datenblatt (s. Anhang A.1) enthaltenen Informationen ist lediglich

bekannt, dass dieses Prepreg mittels eines Schmelzverfahrens vorimprägniert

wurde. Zuallererst wurde mittels Schliffbildmikroskopie untersucht, ob sich die Po-

rositätsstruktur an den äußeren Rändern des Prepregs von dem mittigen Teil unter-

scheidet. Dies, so hat sich herausgestellt, ist nicht der Fall: Nach der Analyse von

Feinschliff-Aufnahmen waren keine Unterschiede von rändigen und mittigen Proben

erkennbar. Die folgenden Beobachtungen sind also über das Profil hinweg allge-

meingültig.

Die Imprägnierung von Prepregs findet, wie in Kapitel 3.2 bereits beschrieben, in

Faserbündeln statt. Abbildung 19 zeigt eine Nahaufnahme eines solchen Faserbün-

dels des unverarbeiteten Tencate-Prepregs.

Abbildung 19: Feinschliff eines Faserbündels aus einer entnommenen Prepreg-Probe

Es ist eine sehr hohe Imprägnierungsdichte erkennbar. Die allermeisten Fasern

werden lückenlos von der Matrix umschlossen. Lediglich an wenigen Stellen inner-

halb und außerhalb des Faserbündels sind Lufteinschlüsse zu erkennen. Für die

Bewertung der Schliffbilder ist zudem exemplarisch ein Faserabbruch markiert. Er

sollte nicht mit einem Lufteinschluss verwechselt werden: Faserabbrüche wie dieser

sind durch das Schleifen der Probe entstanden.


Nach Entnahme und Sichtung weiterer Schliffbilder gibt Abbildung 20 die repräsen-

tative Struktur des Prepregs wieder.

Abbildung 20: Schliffbild des Profils einer Prepreg-Probe

Es ist klar ersichtlich (vgl. Kapitel 3.2), dass sich die große Mehrzahl der Luftein-

schlüsse innerhalb der Faserbündel befindet. Die Lufteinschlüsse sind in signifikan-

ter Anzahl vorhanden und reichen in ihrer Größe von punktuell bis flächig. Zudem

ist erkennbar, dass die Matrix die Faserbündel nicht linien- sondern wellenförmig

umschließt. Im Falle einer schichtförmigen Stapelung und Konsolidierung zu einem

Organoblech wird sich das allerdings nicht als problematisch auswirken: Die wel-

lenbedingten Spalten zwischen den Schichten sind relativ groß. Die Luft unter Va-

kuum kann dadurch ungehindert entweichen.

Neben den Feinschliffen wurde von einer Prepreg-Schicht ein C-Bild angefertigt,

dargestellt in Abbildung 21.

Abbildung 21: C-Bild einer unkonsolidierten Prepregschicht

Montagehalterung

Prepreg-Schicht


Auf dem Bild ist die Faserrichtung der Prepreg-Schicht vertikal; Die Interpretation

wird durch die dargestellte Farbabweichung möglich. Die starke Porosität, die in den

Feinschliffen bereits im Profil sichtbar war, ist auch hier erkennbar. Sie ist ausge-

prägt vorhanden und verläuft linienförmig mit den Fasern. Die im Profil gesichtete

Porosität, welche hauptsächlich in und bei den Faserbündeln lag, besteht demnach

nicht nur punktuell sondern verläuft auch in die Tiefe.

Der Befund ist als positiv zu bewerten. Dadurch, dass sich die Porosität größtenteils

innerhalb der Faserbündel befindet, bilden sich Luftkanäle in Faserrichtung. Dies ist

erforderlich, da die Luft während des Konsolidierungsprozesses vornehmlich ent-

lang der Fasern entweicht. Außerhalb der Faserbündel und an deren Rändern ist

ferner die Matrixanbindung in hohem Maße gegeben. Beide Faktoren sind gute Vor-

aussetzungen um maximale Evakuierung und hohe Güte zu erhalten (vgl. Kapitel

3.2, [16] S. 1f).

Der Aufwand für den Einsatz von Halbzeugen soll so gering wie möglich gehalten

werden. Daher wird zunächst versucht, lose gestapelte, d. h. unverarbeitete Pre-

preg-Schichten thermozuformen. Hierfür werden sechs Schichten unidirektional

(d. h. alle Schichten haben gleiche Faserorientierung) aufeinander gelegt. Die No-

tation hierfür lautet: [0]6. Problematisch ist, dass sich zwischen losen Schichten Luft

befindet, die einen isolierenden Effekt haben. Die Wärme der IR-Heizkörper erreicht

die äußeren Schichten, welche diese möglicherweise aber unzureichend zu den in-

neren Schichten weiterleiten. Es werden daher per Polyimid-Klebeband Tempera-

turfühler befestigt um den Temperaturgradienten bzw. das Temperaturprofil des

Schichtaufbaus zu messen, siehe Abbildung 22.


Abbildung 22: Befestigen eines Temperaturfühlers auf einer Prepreg-Schicht mit Polyimid-Klebeband

Die Temperaturfühler werden dabei auf der Unterseite der obersten Schicht, auf der

Oberseite der untersten Schicht, sowie auf der Oberseite der dritten Schicht plat-

ziert, siehe Skizze in Abbildung 23.

Abbildung 23: Lage der Temperaturfühler in dem [0]6-Schichtaufbau

Nachdem die Temperaturfühler angebracht wurden, werden sie an den DAQ ange-

schlossen. Anschließend kann das Halbzeug im Halbzeugträger montiert werden.

Abbildung 24 zeigt ein Foto des montierten Lagenpakets.

Abbildung 24: Unkonsolidiertes [0]6-Lagenpaket mit befestigten Temperaturfühlern im Halbzeug-Träger


Das Thermoformen muss oberhalb der Schmelztemperatur stattfinden, die für PA6

bei ca. 220°C liegt. Allerdings nimmt in der Zeitspanne zwischen dem Transport aus

den IR-Heizkörpern und dem Schließen des Umformwerkzeugs die Temperatur wie-

der ab. Um dies auszugleichen muss das Halbzeug daher in der Phase des Aufhei-

zens auf deutlich oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt werden. Der Ablauf des

Versuchs verläuft wie folgt: Zunächst werden die IR-Heizkörper auf 400°C aufge-

heizt. Dann wird das Halbzeug im Halbzeugträger zwischen ein Heizkörper-Paar

geschoben. Die Temperatur auf die das Lagenpaket erhitzt wird, soll oberhalb

250°C sein. Sobald der erste Temperaturfühler also 250°C überschreitet, was im

DAQ verfolgt wird, wird der Halbzeug-Träger wieder aus den IR-Heizkörpern ent-

fernt. Dies ist der erste Versuch in dieser Arbeit. Er erhält in der Versuchsnotation

die Nummer 0. In Tabelle 2 sind die Parameter für Versuch Nr. 0 zusammengefasst.

Tabelle 2: Verwendete Parameter für Nr. 0

Nr. Schichtung TIR [°C] TPresse [°C] M [t] Aufheizen bis [°C] Sonstiges

0 [0]6 400 - - >250 Unkonsolidiert; Temperaturfühler wurden angebracht

Nachdem der Versuch durchgeführt wurde, werden die Daten grafisch aufbereitet

und in ein Diagramm überführt. In Abbildung 25 ist dieses Diagramm dargestellt.

Abbildung 25: Temperaturverlauf beim Aufheizen eines unkonsolidierten [0]6-Lagenpaktes


Zu zwei Zeitpunkten sind Temperaturgradienten darin markiert:

bei erstmaligem Erreichen der Schmelztemperatur und

bei erstmaligem Erreichen der Maximaltemperatur.

Dass die beiden äußeren Schichten zu jeder Zeit eine höhere Temperatur haben

als die mittlere Schicht ist plausibel, da sie sich unmittelbar an den Heizflächen be-

finden. An dem Zeitpunkt an dem die erste Schicht die Schmelztemperatur von

220°C erreicht, beträgt der Temperaturgradient 100°C. Am Maximum von knapp

260°C beträgt der Temperaturgradient rund 50°C. Wenn an diesem Punkt die ober-

ste Schicht schon 260°C erreicht hat, hat die unterste Schicht noch nicht einmal die

Schmelztemperatur überschritten. Die enormen Temperaturunterschiede lassen

das Thermoformen von Bauteilen mit möglichst gleichförmigen und kontrollierbaren

Eigenschaften ohne Erfolgsaussicht bleiben.

Um eine geringere Abweichung der Temperatur zu erreichen wird sich dazu ent-

schlossen, die Lagenpakete zu konsolidieren, also Organobleche herzustellen.

Durch den unmittelbaren Kontakt aller Schichten wird ein weitaus geringerer Tem-

peraturgradient erwartet.

Es werden Organobleche mit [0]6-Schichtaufbau hergestellt. Damit die Schichten

bei der Präparation der Vakuumsäcke nicht verrutschen, müssen sie fixiert werden.

Nachdem jeweils eine Schicht auf eine andere gelegt wird, werden sie mit einem

erhitzten Lötkolben an vier unspezifischen äußeren Punkten miteinander ver-

schweißt. Dies geschieht, indem man mit dem Lötkolben für wenige Sekunden

Druck aufträgt wodurch beide Schichten definiert in Kontakt kommen. Die hohe

Temperatur lässt die Matrix beider Schichten dann aufschmelzen. Hierdurch ent-

steht eine stoffschlüssige Verbindung, durch die das Lagenpaket definiert ausge-

richtet und in sich fixiert wird. Anschließend erfolgt die Präparation des Vaku-

umsacks wie beschrieben in Kapitel 3.1. und der OOA-Konsolidierungsvorgang.


Es werden Organobleche per OOA und per Autoklaven hergestellt. Die Qualität, die

aus dem OOA-Verfahren erhalten wird, soll bewertet werden. Dies geschieht, indem

die Organobleche aus dem Autoklaven als Referenz dienen. Die Organobleche wer-

den also untersucht und die Resultate miteinander verglichen. Der Hersteller des

Prepregs empfiehlt im Datenblatt des Materials eine Verarbeitungstemperatur zwi-

schen 249°C und 271°C, s. Anhang A.1. Für die Verarbeitung im Autoklaven wird

sich in dieser Arbeit für eine Maximaltemperatur von 271°C und einer Rate des Auf-

heizens von 3.5°C/min entschieden. Das vollständige, im Prozess gemessene Profil

einschließlich Vakuum- und Druckverlauf ist in Abbildung 26 dargestellt.

Abbildung 26: Prozessprofil Autoklav

Für die OOA-Prozesse, siehe Abbildung 27, wurden zwei verschiedene Tempera-

tur-Zeit-Profile mit unterschiedlicher Maximaltemperatur verwendet: 222°C und

250°C. 222°C ist etwa die Schmelztemperatur wohingegen diese mit 250°C deutlich

überschritten wird. Mit der Verwendung von zwei verschiedenen Profilen soll der

Einfluss der Temperatur im OOA-Prozess untersucht werden. Es ist schließlich

möglich dass eine hohe Maximaltemperatur gar nicht erforderlich ist und ein Aufhei-

zen bis zur Schmelztemperatur für eine hervorragende Qualität bereits ausreicht.


Abbildung 27: Temperaturprofile OOA und Autoklav

Fotos von den präparierten Vakuumsäcken unmittelbar vor Beginn der OOA- bzw.

Autoklaven-Konsolidierung zeigen Abbildung 9 in Kapitel 3.1 und Abbildung 66 in

Anhang B.

Um einen Eindruck über das Aussehen eines solchen Organoblechs zu bekommen,

zeigt Abbildung 28 exemplarisch ein im Autoklaven hergestelltes Organoblech.

Abbildung 28: Im Autoklaven hergestelltes Organoblech

Optisch sind, wenn überhaupt, nur marginale Unterschiede zu den OOA-Organoble-

chen zu erkennen. Ohne eine Beschriftung unmittelbar nach dem Prozess besteht

Verwechslungsgefahr. Dies unterstreicht die Bedeutung der folgend durchgeführten

Analysen.

Zur Untersuchung der Organobleche die man aus den in Kapitel 4.3.2 vorgestellten

Prozessen erhalten hat, werden als Erstes C-Bilder ihrer Flächenprofile angefertigt.

Diese werden der unverarbeiteten Prepreg-Schicht in Abbildung 29 gegenüberge-

stellt.


Abbildung 29: C-Bilder einer Prepreg-Schicht sowie der Autoklaven- und OOA-Organobleche

Wie bereits in Kapitel 4.1.2 besprochen, zeigt das unverarbeitete Prepreg a) eine

hochgradig poröse, linienförmige Struktur. Das im Autoklaven hergestellte Orga-

noblech b) zeigt keine nennenswerte Abweichung des Echos, was auf eine sehr

gleichförmige, homogene Struktur mit geringen Lufteinschlüssen schließen lässt.

OOA-Organoblech (c) hingegen offenbart kurze und lange linienförmige als auch

kleine und große flächige rote Stellen was auf eine signifikante Porosität schließen

lässt. Organoblech d) weist ebenfalls eine vielzahlige linienförmige Struktur auf,

wobei hier die flächigen roten Stellen allerdings kleiner und klar weniger sind als bei

c). Auch hier sind Lufteinschlüsse vorhanden, wenngleich dennoch große Anteile

der Gesamtfläche eine hohe Güte haben. Dies betrifft die untere sowie linke Hälfte

des Organoblechs. Im Bereich rechts oben fanden hingegen große Echoabwei-

chungen statt.

Folgend wird die Dicke dieser Organobleche mit einer Mikrometerschraube gemes-

sen. Dies gibt Aufschluss über den Grad an Kompaktierung und ebenfalls, durch

das ermitteln der Standardabweichung, über den Grad an Gleichförmigkeit. Hierfür

werden auf den Organoblechen rasterförmig und punktuell Dickenmessungen vor-

genommen. Nachdem die Messungen je Organoblech aufgenommen wurden, wer-

den der Mittelwert und die Standardabweichung bestimmt. Beide Werte werden nun

durch die Anzahl der Schichten geteilt, d. h. in diesem Fall durch sechs geteilt. Diese


Ergebnisse werden nun abermals dem unverarbeiteten Prepreg gegenübergestellt.

Die Gegenüberstellung der Dicken ist in Abbildung 30 dargestellt.

Abbildung 30: Schichtspezifische Dicke des Prepregs und der Organobleche

Der Hersteller Tencate gibt für dieses Prepreg eine Dicke von 7 mil an (s. Anhang

A.1). Die wahre, gemessene mittlere Dicke beträgt allerdings 6,6 mil. Diese zu ken-

nen ist wichtig für eine korrekte Einschätzung der vorliegenden Organobleche aus

den Prozessen. Als erstes kann festgehalten werden, dass alle vier Standardabwei-

chungen nah beieinander liegen, wobei jene des Prepregs dennoch in erwähnens-

werter Weise am niedrigsten ist. Tencate liefert demnach eine hohe Güte des Pre-

pregs mit gleichmäßiger Dicke. Allerdings ist es auch dem Konsolidierungsprozess

geschuldet, dass feine Unebenheiten entstehen wodurch eine größere Streuung der

Dicke der Organobleche entsteht. Die Mittelwerte der vier Dicken zeigen hingegen

deutliche Unterschiede. Das Organoblech aus dem Autoklaven ist mit signifikantem

Abstand das dünnste mit schichtspezifischen 5,34 mil. Das OOA-Profil bei der

222°C Maximaltemperatur verwendet wurde (folgend OOA222C genannt) hat mit

6,44 mil keinen nennenswerten Dickenunterschied zu dem unverarbeiteten Prepreg

und damit mit großem Abstand den schlechtesten Wert von allen verwendeten Pro-

zessen. Die Dicke des OOA-Organoblechs das mit 250°C beaufschlagt wurde (fol-

gend OOA250C genannt) liegt wiederum mit 5,76 mil sehr niedrig. Allerdings ist es

signifikant dicker als das Autoklaven-Organoblech.


Als letzte Maßnahme zur Evaluierung der hergestellten Halbzeuge werden Schliff-

bilder der Organobleche angefertigt. Im Gegensatz zu den beiden vorangegange-

nen Untersuchungen die auf die Fläche angewendet wurden, wird mit diesem Ver-

fahren eine Betrachtung des Profils möglich. Sie markiert zugleich den Übergang

von der zerstörungsfreien zur zerstörenden Prüfung, denn es müssen hierfür kleine

Proben aus dem Organoblech herausgetrennt werden. Für die Zielsetzungen in die-

ser Arbeit können die Organobleche allerdings zumeist dennoch für das Thermofor-

men weiterverwendet werden. Dies ist vertretbar, wenn die Probenentnahme an un-

kritischen Stellen erfolgte und Größen, die von Interesse sind, hiervon nicht berührt

werden.

Abbildung 31 zeigt je eine Schliffbild-Aufnahme von den drei Organoblechen. Die

Form der oberen zu den unteren Probenrändern ist generell unterschiedlich. Der

obere Rand ist wellenförmig, wohingegen der untere Rand gerade ist. Dies ist ty-

pisch, da die eine Seite der Lagenpakete auf der glatten Stahlplatte liegt (unten)

wohingegen die andere Seite unmittelbaren Kontakt mit dem Sauggewebe hat. Die

glatte, untere Seite wirkt sich nicht auf die Form aus, das Sauggewebe jedoch prägt

der oberen Seite ihr Gewebemuster auf.

Abbildung 31: Feinschliff-Aufnahmen der hergestellten Organobleche

Das Profilbild des Autoklaven-Organoblechs zeigt eine sehr hohe Kompaktierung.

Dies wird darin sichtbar, dass die Faserbündel dicht beieinander sind. Zudem ist die

Porosität sehr gering; Es werden kaum Lufteinschlüsse gesichtet. OOA222C hinge-

gen hat eine durchaus hohe Porosität. Wie bereits in den Schliffbildern des unver-

arbeiteten Prepregs aus Kapitel 4.1.2 (Abbildung 20) gesehen, befinden sich auch

hier die Lufteinschlüsse im Wesentlichen an und in den Faserbündeln. Die zuvor

konstatierte, nur geringfügige Kompaktierung spiegelt sich hier wieder. Allerdings

sind die Schichten vollständig miteinander verschmolzen, da keine von sechs

Schichtgrenzen erkennbar ist. Die Matrixbenetzung zwischen den Schichten als


auch an den Faserbündeln ist gleichmäßig und unterbrechungsfrei. Das OOA250C-

Profil zeigt hingegen, wie beim Autoklaven-Profil ebenfalls eine hohe Verdichtung.

Es sind ferner Lufteinschlüsse zu sichten, jedoch in sehr geringem Volumenanteil.

Sie befinden sich ausschließlich im Inneren der Faserbündel.

Die drei verwendeten Prüfmethoden zur Klassifizierung der drei Organobleche zei-

gen je ein schlüssiges Gesamtbild. Für das Autoklaven-Organoblech entstand

durch sein C-Bild der Eindruck einer herausragend hochwertigen Konsolidierungs-

güte. Dieser setzte sich in der Untersuchung der Dicke fort, die sich als am gering-

sten herausstellte. Bestätigt wurde dies anschließend durch die Schliffbild-Untersu-

chung: Sehr hohe Kompaktierung bei minimaler Defektmenge konnte konstatiert

werden. Wie erwartet, konnte mittels des Autoklaven sehr hohe Qualität erzielt wer-

den. Ein Autoklav-Prozess kann jedoch auch suboptimale Ergebnisse liefern wenn

die eingestellten Parameter nicht für das vorliegende Lagenpaket geeignet sind.

Matrixmaterial, Schichtanzahl, Schichtorientierung, Menge an Feuchtigkeits- und

Lufteinschluss, Faservolumengehalt, etc. bedürfen ein individuelles Prozessprofil.

Insofern ist auch die Wahl der Prozessparameter des Autoklaven-Profils erfolgreich

gewesen.

Das Organoblech aus dem OOA222C-Profil zeigte unbefriedigende Güte. Das C-

Bild ließ auf eine mängelbehaftete, inhomogene Struktur schließen. Anschließend

wurde die Dicke ausgewertet. Festzustellen war, dass die schichtspezifische Dicke

praktisch gleichauf mit der Dicke einer unverarbeiteten Prepreg-Schicht lag. Dem-

nach erfuhr das Lagenpaket keine nennenswerte Kompaktierung. Immerhin konnte

eine rückstandslose Verschmelzung der Schichten in dem Schliffbild festgestellt

werden, was angesichts der zuvor erhaltenen Ergebnisse nicht erwartet wurde. Al-

lerdings reichte die Temperatur von 222°C nicht aus, dass diese die Faserbündel in

hohem Maße infiltrierte. Die Viskosität war hierfür noch zu hoch.

Bei dem OOA250C-Prozess war sie dann allerdings bereits ausreichend niedriger.

Hier kann die Infiltration als erfolgreich gewertet werden. Verdichtung fand zudem

in signifikantem Maße statt, was auch die Dickenmessung zeigte. Der Faservolu-

mengehalt stieg gegenüber OOA222C deutlich. Vergleicht man die Schliffbilder von

OOA250C und des Autoklav-Prozesses, ist die Ähnlichkeit frappierend. Bei


OOA250C sind Lufteinschlüsse zwar deutlich sichtbar, wenngleich ihr Flächenanteil

sehr gering ist.

Die OOA222C-Qualität wird als unbefriedigend gewertet. Hingegen ist die Qualität

des OOA250C-Organobleches hochwertig. Dessen allgemeine Güte ist nur gering-

fügig, aber nennenswert niedriger als jenes aus dem Autoklaven.

5 Thermoformen mit flächigem 2D-Werkzeug 34

5 Thermoformen mit flächigem 2D-Werkzeug

Im Folgenden wird das Thermoformen durchgeführt unter Ausschaltung von Effek-

ten die geometrische Ursachen haben. Es soll damit hinreichender Kenntnisstand

über den Prozess und seine Auswirkungen auf das Halbzeug erlangt werden. Zu-

dem sollen geeignete Parameter gefunden und Mängel an der Anlage aufgedeckt

und behoben werden. Damit wird die Grundlage für das erfolgreiche Thermoformen

mit komplexer Werkzeuggeometrie geschaffen.

Das Hauptinteresse ist, dass nach dem Thermoformen eine höchstmögliche Quali-

tät (stabile und hohe Kompaktierung, geringe Porosität, hohe Gleichförmigkeit) vor-

handen ist. Da das Thermoformen ein Prozess ist, bei dem ein Halbzeug mit ge-

schmolzener Matrix in einer Presse Druck erfährt, ist es denkbar, dass hierbei be-

stehende Poren geschlossen werden. Die These ist, dass niedrigviskose Matrix un-

ter dem erfahrenen Druck in die Poren hinein- und die Luft dabei herauspresst. Be-

stätigt sich dies, ist eine hohe Qualität der Halbzeuge selbst gar nicht erforderlich.

Eine mindere Qualität reiche dann aus die per Pressen verbessert werden kann. In

einem integrativen Prozessschritt würden dann Formgebung und Strukturverbesse-

rung stattfinden können. OOA-Prozesse mit relativ niedriger Maximaltemperatur

würden dann genügen, was Energie- und Kosteneinsparungen bedeutete.

In Kapitel 4.2.2 wurde für ein unkonsolidiertes Lagenpaket ein inakzeptabel großer

Temperaturgradient festgestellt. Er betrug in wichtigen Zeitabschnitten 100°C bzw.

50°C. Die These wurde aufgestellt, dass er bei einem konsolidierten Lagenpaket

(Organoblech) signifikant kleiner ausfällt. Dies gründet auf der Überlegung, dass

zwischen den unmittelbar verschmolzenen Lagen keine isolierenden Luftschichten

mehr existieren die den Temperatureintrag vermindern. Diese These wird nun über-

prüft.

Zur Herstellung des Organoblechs werden zunächst, wie in Kapitel 4.2.2 beschrie-

ben, drei Temperaturfühler an je einer Prepreg-Schicht fixiert. Dies geschieht dies-

mal per Punktschweissen, d. h. es wird eine punktuelle, stoffschlüssige Verbindung

zwischen Temperaturfühler und Prepreg-Schicht hergestellt. Die Temperaturfühler


befinden sich entsprechend je zwischen der ersten und zweiten, zwischen der drit-

ten und vierten sowie zwischen der fünften und sechsten Schicht. Das [0]6-Lagen-

paket wird dann mit einem Vakuumsack bedeckt. Die Temperaturfühler bleiben mit

dem Lagenpaket vollständig unterhalb des Vakuumsacks. Sie sind für die OOA-

Konsolidierung ausreichend temperaturbeständig und das Vakuum schadet ihnen

ebenfalls nicht. Abbildung 32 zeigt ein Foto eines derart hergestellten Organoblechs

mit eingeschlossenen Temperaturfühlern.

Abbildung 32: Organoblech mit eingeschlossenen Temperaturfühlern

Der Ablauf zur Messung des Temperaturgradienten ist zunächst identisch zu jenem

aus Kapitel 4.2.2: Das Organoblech wird im Halbzeugträger montiert, die Tempera-

turfühler an den DAQ angeschlossen und zwischen ein Paar aus IR-Heizkörpern

die 400°C Oberflächentemperatur haben geschoben. Nun wird gewartet bis die

Halbzeugtemperatur 250°C übersteigt. Im nächsten Schritt wird das Halbzeug aller-

dings nicht wieder herausgezogen und die Messung damit beendet. Diesmal soll

der Temperaturgradient über den gesamten Thermoform-Prozess hinweg gemes-

sen werden. Daher wird das Halbzeug nach Überschreiten von 250°C in die Presse

geschoben und diese dann geschlossen. Tabelle 3 listet die für diesen Versuch

(„Nr. 1“) verwendeten Parameter auf.

Tabelle 3: Verwendete Parameter zum Messen des Temperaturprofils (Nr. 1)


1 [0]6 400 100 10 >250 -

Die Messdaten des Versuchs wurden in ein Diagramm geführt, dargestellt in Abbil-

dung 33.


Abbildung 33: Temperaturgradient eines [0]6-Organoblechs während des Thermoform-Prozesses

Für die Deutung des Ergebnisses kann der Prozess in drei signifikante Phasen zu-

sammengefasst werden:

1. Aufheizen des Organoblechs (Sekunde 10-52)

2. Transport in die Presse (Sekunde 52-56)

3. Kontakt, Verfestigen und Abkühlen (Sekunde 56-59)

Das Aufheizen erfolgt gutmütig und mit einem im Wesentlichen sehr geringen Tem-

peraturgradienten. Die These, dass der Temperaturgradient eines konsolidierten

Organoblechs sehr viel kleiner ist als der eines unkonsolidierten Lagenpakets ist

hiermit bestätigt. Während der Halbzeugträger ab etwa Sekunde 52 von den IR-

Heizkörpern zur Presse geschoben wird, findet kein Aufheizen mehr statt Dies

macht es plausibel, dass die Temperatur in diesem Abschnitt fällt. Während sich die

Presse schließt, findet ab etwa Sekunde 56 der Kontakt mit dem Werkzeug statt.

An dieser Stelle kann nun nicht mehr von Gutmütigkeit gesprochen werden, denn

der folgende Temperaturabfall ist rapide. Vom ersten Kontakt bei 260 °C bis zum

Erreichen der Temperatur der Wärmeformbeständigkeit von 200°C vergehen nur

0,3 Sekunden. Dies kommt einem Einfrieren gleich; Die Verfestigung der Matrix er-

folgt abrupt. Abbildung 34 zeigt ein Foto des thermogeformten Teils mit dem die

Temperaturmessung durchgeführt wurde.


Abbildung 34: Foto des thermogeformten Teils mit dem der Temperaturgradient bestimmt wurde

Optisch ist die rechteckige Form erhalten geblieben. Haptisch wird ein durchwach-

sener Eindruck gewonnen; Die Oberflächen sind rau und zerfurcht. Weitere Unter-

suchungen des Teils finden nicht statt. Der Zweck dieses Teils bestand ausschließ-

lich aus der Bestimmung des Temperaturprofils. Durch die eingeschweißten Tem-

peraturfühler würden Bewertungen der Struktur nicht zulässig sein, da diese hierauf

eingewirkt haben können.

Es liegt nun das Temperaturprofil für ein sechslagiges Organoblech vor. Hieraus

lässt sich unter anderem ablesen, wie lange ein Organoblech zwischen den IR-

Heizkörpern verbleiben muss um eine bestimmte Temperatur zu erreichen. Für die

folgenden Versuche wurden dennoch weiterhin Organobleche mit eingeschlosse-

nen Temperaturfühlern verwendet. Dies geschah, da diese schlicht noch vorrätig

waren. Ferner waren weiterführende Untersuchungen der thermogeformten Teile

für diese Versuchsreihe nicht vorgesehen. Eine akzeptable Qualität wurde in die-

sem Stadium noch nicht erwartet. Die verwendeten Parameter für Versuche Nr. 2

und 3 sind in Tabelle 4 gelistet.

Tabelle 4: Verwendete Parameter für Nr. 2 und 3


2 [0]6 400 100 10 260° -

3 [0]6 500 100 10 230° -

Abbildung 35 zeigt Fotos der thermogeformten Teile (Vorder- und Rückseite).


1 Oberseite 1 Unterseite

2 Oberseite 2 Unterseite

Abbildung 35: Zwei der ersten thermogeformten Organobleche (Nr. 2, 3)

Es sind großflächige Verzerrungen an den thermogeformten Teilen sichtbar. Wei-

tere Untersuchungen fanden nicht statt da die Resultate offensichtlich ungenügend

waren. Der Grund für diese Verzerrungen ist, dass bei geschlossener Presse auf

dem Halbzeug kein gleichmäßiger Druck anliegt. Dies ist einer schiefwinkligen Lage

der Werkzeugoberflächen geschuldet und fällt der Presse anheim. Durch eine

schiefe Lage der Werkzeugoberflächen zueinander ist es plausibel, dass eine inho-

mogene Druckverteilung eine inhomogene Struktur zur Folge hat. Außerdem haben

dadurch einzelne Bereiche des Halbzeugs kurz vor dem vollständigen Schließen

der Presse früher Kontakt als andere. Wie in Kapitel 5.2 dargelegt, erstarren diese

Bereiche dann sofort während andere Bereiche noch viskos sind. Innere Spannun-

gen sind die Folge, was sich in derartigen Falten und Wellungen niederschlägt.

Da die Fläche der Organobleche nur etwa ein Drittel der Werkzeugoberflächen be-

anspruchen, gibt es freie Flächen für folgende Abhilfemaßnahme: Es werden Aus-

gleichsplättchen in geeigneter Dicke auf das untere Werkzeug gelegt. Hiermit sollen

die schiefen Werkzeugebenen ausgeglichen und gleichmäßiger Druck gewährlei-

stet werden. In Abbildung 36 sind solche Ausgleichsplättchen dargestellt.


Abbildung 36: Flächiges Werkzeug, Ausgleichsplättchen in Nahaufnahme

Das Prinzip der Ausgleichsplättchen, skizziert in Abbildung 37, ist wie folgt: Um

gleichmäßigen und gleichzeitigen Kontakt herzustellen, werden zunächst die Dik-

ken der zu formenden Organobleche gemessen. Anschließend werden Ausgleichs-

plättchen mit minimal geringerer Dicke an vier äußere Stellen auf dem Werkzeug

platziert. Wenn sich nun das schiefe Werkzeugpaar aufeinander zubewegt, sollte

der erste Kontakt mit einem Ausgleichsplättchen zustande kommen. Bei zunehmen-

der Schließbewegung würde die Schiefwinkligkeit ausgeglichen werden bis der

Kontakt mit dem Halbzeug und den anderen Ausgleichsplättchen nahezu zeitgleich

geschehen. Bei geschlossener Presse schließlich würde durch die Ausgleichsplätt-

chen der Kontakt eben, und Druck dennoch, dadurch dass das Organoblech dicker

ist, appliziert worden sein. Bezogen auf das Halbzeug arbeitet die Presse damit

allerdings nicht mehr druckgesteuert sondern verschiebungsgesteuert (Dickendiffe-

renz aus Ausgleichsplättchen und Organoblech).

Abbildung 37: Prinzip der Anwendung von Abstandsplättchen; übertriebene Darstellung


In den folgenden Versuchen wird zudem festgelegt, dass die Halbzeuge mit einer

Temperatur von 260°C die IR-Heizkörper verlassen sollen. Das Diagramm in Abbil-

dung 33 (S. 36) zeigt nun, dass 260°C bei sechslagigen Organoblechen etwa mit

der fünfundvierzigsten Sekunde erreicht ist. Hiermit wurde demnach ein erster Pa-

rameter für einen Prozessschritt im Thermoformen-Prozess bestimmt. Für acht-

lagige Organobleche, die hier nun ebenfalls zur Anwendung kommen, wird nicht

noch einmal eine erneute Messung durchgeführt sondern extrapoliert. Die geringe

Dicke von je sechs- und achtlagigen Organoblechen macht dies zulässig. Das acht-

lagige Organoblech ist um ein Drittel dicker und bedarf demnach ein Drittel mehr

Zeit. Dies ergibt eine Dauer des Aufheizens von insgesamt 60 Sekunden. Tabelle 5

gibt einen Überblick über die verwendeten Parameter der in diesem Kapitel behan-

delten Versuche.

Tabelle 5: Verwendete Parameter für Nr. 4, 5 und 6

Nr. Schichtung TIR [°C] TPresse [°C] M [t] t [s] Sonstiges

4 [0/90]2s 400 100 10 60 40 mil Ausgleichsplättchen



Abbildung 38 stellt das Ergebnis in Form einer Gegenüberstellung dar. Es zeigt C-

Bilder des jeweiligen Halbzeugs (erste Spalte) sowie der thermogeformten Teile

(zweite Spalte). Fotos der verformten Organobleche sind in der dritten Spalte auf-

geführt.

Nr. 4-6 vermitteln ein klares Bild. Falten und Wellen, die bei Nr. 2 und 3 beobachtet

wurden traten erneut auf, allerdings in geringerer Ausprägung. Auch haptisch wird

der Eindruck rauer, zerfurchter Oberflächen aller drei Teile gewonnen. In den C-

Bildern lassen sich dann Defektbereiche ausmachen, die sich weit über die gesamte

Fläche der Teile erstrecken. Die Qualität ist weiterhin inakzeptabel, weshalb Nr. 4-

6 nicht weiter analysiert und damit verworfen werden. Die Ausgleichsplättchen hat-

ten bei allen thermogeformten Teilen keinen nennenswerten positiven Effekt. Aller-

dings vermittelt das C-Bild von Nr. 4 einen besseren Eindruck als jenes von Nr. 5

und 6. Dies wird dem höheren Masseauftrag von 10 Tonnen zugerechnet der in

diesem Fall appliziert wurde. Nr. 5 und 6 zeigen im Umkehrschluss einen größeren

Flächenanteil an roten Bereichen und wurden beide mit nur 3 Tonnen thermoge-

formt.


Organoblech Thermogeformt Foto Nr.

4

5

6

Abbildung 38: C-Bilder und Fotos von Nr. 4-6 vor und nach dem Thermoformen

Um der Ursache für die schlechten Ergebnisse auf den Grund zu gehen, wird das

Werkzeug eingehender untersucht. Bis hierher war das obere Werkzeug mit vier

Schrauben fest an der oberen Traverse der Presse fixiert. Dies lässt sie starr und

unbeweglich sein, wodurch Effekte die aus der mangelnden Präzision der Presse

einhergehen nicht ausgleichen werden können. Die große Breite der Oberfläche

des unteren Werkzeugs wird zudem als Problem angesehen, da sie mit Teilen des

Halbzeugträgers kollidieren kann.

Es werden für die nachfolgenden Versuche an dem Werkzeug drei Modifizierungen

vorgenommen:

vom oberen Werkzeug wird von den Kanten an den Führungen Material ab-

getragen um zwischen Werkzeug und Führung Spiel herzustellen,

das obere Werkzeug wird nicht mehr fest sondern lose angeschraubt sodass

es leicht beweglich bleibt,

von den Kanten der Oberfläche des unteren Werkzeugs wird Material abge-

tragen. Damit wird für den Halbzeugträger und dadurch auch für das Halb-

zeug Raum für einen definierten, störungsfreien Kontakt geschaffen.


Letztgenannter Punkt wird in Abbildung 39 verdeutlicht. Von diesen Maßnahmen

wird sich durch mehr Raum und der unfixierten Lagerung mit Spiel eine Verbesse-

rung der Resultate versprochen.

Abbildung 39: Unteres flaches Werkzeug vor (links) und nach (rechts) Abtragen der Kanten

Die Parameter der Versuchsreihe sind in Tabelle 6 gelistet.


Nr. Schichtung TIR [°C] TPresse [°C] M [t] t [s] Sonstiges

7 [0]6 400 100 10 45 -

8 [0]6 400 100 150 45 -

Die von Nr. 7 und 8 angefertigten C-Bilder sind in Abbildung 40 dargestellt. Sie zei-

gen eindeutig, dass mit den zuvor besprochenen Korrekturmaßnahmen ein großer

Fortschritt erzielt wurde.

Organoblech Thermogeformt Foto Nr.

7

8


Die C-Bilder von Nr. 7 und 8 ähneln sich stark. Haptisch wird der Eindruck vermittelt,

dass ein großer Bereich sehr gleichförmig ist. Gleichwohl ist im mittleren Bereich

über die gesamte Länge der Teile hinweg ebenfalls je ein großer Bereich an Ver-

zerrungen zu konstatieren. Beides ist genau so auch in den C-Bildern erkennbar.

Für das Thermoformen von Nr. 8 wurde ein enorm hoher Masseauftrag von 150


Tonnen ausprobiert nachdem Nr. 7 zwar deutlich verbesserte aber immer noch un-

genügende Gleichförmigkeit erkennen ließ. Dies hatte keinen erkennbaren positi-

ven Effekt. Mangelnder Druck der Presse ist als Ursache für die immer noch durch-

wachsene Gleichförmigkeit der Teile demnach auszuschließen.

Es wird sich dazu entschlossen, Nr. 8 eingehender zu untersuchen. Es werden Fein-

schliff-Aufnahmen von drei verschiedenen Bereichen angefertigt. Einerseits sollen

die haptischen Eindrücke und Ultraschallbilder damit verifiziert werden. Anderer-

seits wird sich hiervon versprochen, Erkenntnisse über die Ursachen der einge-

brachten Störungen zu erlangen. Abbildung 41 zeigt die Stellen, die entnommen

wurden um sie als Proben zu untersuchen.

Abbildung 41: Probenentnahme aus Nr. 8 zur Feinschliff-Untersuchung

In Abbildung 42 sind die Schliffbilder dargestellt. Probe 1 zeigt, wie es aus dem C-

Bild zu erwarten war, eine sehr gute Struktur. Die Ränder der Probe sind überdies

eben und glatt. Eine signifikante Kompaktierung der Schichten fand statt, was man

an den dicht beieinander liegenden Faserbündeln erkennen kann. Lufteinschlüsse

sind in kleinen Mengen vorhanden; Sie befinden sich fast ausschließlich innerhalb

der Faserbündel. Angesichts dieser Merkmale kann als sicher gelten, dass der

Druck der Presse in diesem Bereich gleichmäßig anlag. Dass dieser Bereich eine

gute Qualität aufweisen würde, bestätigt sich hiermit.

1 2 3

Abbildung 42: Feinschliff-Aufnahmen von Nr. 8


Proben 2 und 3 hingegen zeigen ein gänzlich anderes Bild. Die Ränder sind stark

wellenförmig. Zudem sind Lufteinschlüsse in großer Menge vorhanden. Sie treten

einerseits in kleinen Skalen auf: punktförmig in den Faserbündeln, aber auch riss-

förmig in der Matrix. Andererseits sind auch sehr große, lochartige Luteinschlüsse

auszumachen die keine Orientierung an Strukturmerkmalen erkennen lassen. Sie

sind willkürlich in Form und Verteilung. Die Ursache für diese zerklüftete Struktur ist

wie folgt: Im Gegensatz zu Probe 1 lag der Druck der Presse in den rötlichen Berei-

chen des C-Bildes aus denen die Proben 2 und 3 entnommen wurden, nicht gleich-

mäßig an. Es kann gar davon ausgegangen werden, dass noch nicht einmal ein

definierter Kontakt zustande kam.

Für einen nicht definierten Kontakt von Halbzeug und Werkzeugoberflächen würde

folgender Mechanismus abgelaufen sein: Man stelle sich einen kleinen, punktuellen

Bereich des Halbzeugs vor. Wenn dieser beim Schließen der Presse mit der Werk-

zeugoberfläche Kontakt herstellt während der benachbarte Bereich (noch) viskos

ist, hat das ein großes Spannungsgefälle zur Folge. Hierbei würde der einfrierende

Bereich sich innerhalb 0,3 Sekunden zusammenziehen und dadurch dem viskosen

Nachbarbereich Material entziehen. Nach dem Erkalten wäre das Ergebnis ein auf-

gedickter Bereich neben einem ausgedünnten Bereich. Es wäre das, was an den

Rändern der Feinschliff-Bildern von Proben 2 und 3 in hoher Wiederholungsfolge

zu sehen ist.

Um die Entstehung der Defektstruktur erklärbar zu machen, soll zunächst die innere

Dynamik im Verbund verdeutlicht werden. Es entstehen, wie erwähnt, große Span-

nungen aus dem Temperaturgefälle. Ferner findet Materialtransport statt. Beide

Phänomene wechselwirken miteinander und wirken sich als Kombination verstär-

kend auf die Umgebung aus. Sie strapazieren dadurch ihr Umfeld. Dass es sich um

einen höchst inhomogenen Werkstoff handelt macht diesen Vorgang zusätzlich

komplexer. Beispielsweise sind Kerbspannungseffekte durch das Vorhandensein

von, im Verhältnis zur Matrix, inelastischen Karbonfasern die von der Spannung

umflossen werden müssen denkbar. Es ist plausibel, dass unter diesen Vorausset-

zungen Bereiche im Verbund aufgerissen werden um diese Prozesse aus Span-

nung und Migration auszugleichen.


Zahlreiche Maßnahmen zur Justierung und Anpassung der Presse wurden nun be-

reits umgesetzt. Es konnten zwar Verbesserungen erzielt werden, aber die Ergeb-

nisse sind immer noch unbefriedigend. Kleine Unebenheiten auf der Werkzeugober-

fläche und eine schiefwinklige Ausrichtung durch die Presse verhindern weiterhin,

dass ein gleichmäßiger Druck appliziert werden kann. Das unmittelbare Einfrieren

des Halbzeugs bei Werkzeugkontakt wirkt sich unter diesen Umständen verheerend

aus.

Es wird nun auf beiden Werkzeugoberflächen je eine Silikonmatte aufgetragen, dar-

gestellt in Abbildung 43. Durch diese nun elastischen Werkzeugoberflächen soll ein

gleichmäßiger Druck auf das Halbzeug hergestellt werden können.

Abbildung 43: Flaches Werkzeug mit beidseitig aufgetragener Silikonmatte

Mit der Beschichtung mit einer Silikonmatte wird ein anderes Verhalten des Halb-

zeugs bei Werkzeugkontakt erwartet. Daher wird das Temperaturprofil des Orga-

noblechs erneut gemessen. Der Ablauf ist derselbe wie in Kapitel 5.2: Ein [0]6-Or-

ganoblech wird mit drei eingeschweißten Temperaturfühlern zwischen den IR Heiz-

körpern bis auf über 250°C aufgeheizt und dann zur Presse geführt. Anschließend

wird die Presse geschlossen und nachdem das Teil abgekühlt ist entnommen. Die

verwendeten Parameter sind dabei identisch zu jenen in Tabelle 3 als das Tempe-

raturprofil ohne Silikonmatte durchgeführt wurde. Tabelle 7 listet sie hier noch ein-

mal auf.


Tabelle 7: Verwendete Parameter zum Bestimmen des Temperaturprofils mit Silikonmatte (Nr. 9)


9 [0]6 400 100 10 260 -

In Abbildung 44 ist das gemessene Temperaturprofil dargestellt. Auf die Phasen

des Aufheizens des Organobleches und des Transports von den IR Heizkörpern zu

der Presse soll hier nicht noch einmal eingegangen werden. Die Bedingungen unter

denen diese Phasen stattfanden waren identisch mit dem Bestimmen des Tempe-

raturprofils in Kapitel 5.2, dargestellt in Abbildung 33 auf S. 36. Von Interesse ist die

dritte Phase, die von in etwa Sekunde 55 bis Sekunde 140 reicht. Während dieser

Zeit ist die Presse geschlossen und das eingeschlossene Teil kühlt ab. Die Kurve

fällt hier zunächst sehr rapide und aber ab etwa Sekunde 60 zunehmend langsamer.

Die Zeit, die das Teil nun benötigt um auf die Temperatur der Presse von 100°C zu

gelangen, beträgt 85 Sekunden. Dies steht in krassem Kontrast zu der Messung

ohne Silikonmatte, wo sie gerade einmal etwa 2 Sekunden betrug. Es ist hier also

ein deutlich gutmütigeres, da langsameres Abkühlen. Fasst man die Serienfertigung

einer B-Säule ins Auge, wären 85 Sekunden außerdem ein guter und akzeptabler

Wert.

Abbildung 44: Temperaturgradient eines [0]6-Organoblechs mit Silikonmatten auf dem Werkzeugpaar

Am Interessantesten ist allerdings die Zeit, in der das Teil auf die kritische Tempe-

ratur von 200°C fällt, denn hier ist die Grenze der Verformbarkeit („Wärmeformbe-

ständigkeit“, siehe Kapitel 5.2). Sie beträgt hier 0,5 Sekunden. Beim Pressen ohne

eine Silikonmatte waren es 0,3 Sekunden. Betrachtet man die Zahlen absolut, ist es

nur eine minimale Steigerung von 0,2 Sekunden; betrachtet man sie relativ, ist die

Steigerung mit 66% hingegen hoch. Das bedeutet, dass das Verfestigen unter An-

wendung mit Silikonmatten immer noch ein sehr kurzer Prozess ist. Gleichzeitig

muss aber konstatiert werden, dass innerhalb dieses zeitlichen Spektrums das Ab-

kühlen sehr viel langsamer geschieht als wenn keine Silikonmatten verwendet wer-

den, also (relativ) viel Zeit gewonnen wurde. Für die Prozesskontrolle dient das zum


Vorteil. Während Druck aufgetragen wird, gibt es für die Struktur mehr Zeit diesen

wirken zu lassen und sich auszurichten bis sie sich verfestigt.

Betrachtet man das thermogeformte Teil, ein Foto davon ist in Abbildung 45 aufge-

führt, so ist die Oberfläche diesmal sehr glatt und weich. Sie macht einen sehr

gleichförmigen Eindruck und es sind keine nennenswerten Störungen sichtbar und

fühlbar. Es sind lediglich, in dem Bereich wo die Beschriftung ist, Abdrücke zu se-

hen. Diese waren allerdings schon auf dem Organoblech vorhanden. Sie wurden

durch eine Anomalie während der Organoblechherstellung bereits eingeprägt und

entstanden also ausdrücklich nicht während des Thermoformens.

Abbildung 45: Foto des mit Silikonmatte thermogeformten Teils zur Bestimmung des Temperaturprofils, Nr. 9

Allerdings ist auch erkennbar, dass das Organoblech in seiner Flächenebene sicht-

bar aus seiner Form ausbrach. Aus einer rechteckigen Form wurde hier zum ersten

Mal eine gekrümmte Form. Sie ist zwar nur leicht gekrümmt, diese ist aber dennoch

deutlich sichtbar. Im mittleren Bereich hat der Druck demnach nicht nur vertikal ge-

wirkt sondern drückte Material auch zur Seite. Da hier Temperaturfühler eingearbei-

tet sind, wird das Teil allerdings nicht weiter untersucht. Stattdessen wird mit Orga-

noblechen ohne Temperaturfühler in einer neuen Versuchsreihe fortgefahren.

Für die weitere Versuchsreihe werden Parameter nach Tabelle 8 verwendet.



Nr. Schichtung TIR [°C] TPresse [°C] M [t] t [s] Sonstiges 10 [0]6 400 100 3 45 Silikonmatte auf Werkzeugpaar

11 [0]6 400 100 10 45 Silikonmatte auf Werkzeugpaar

Das Ergebnis ist in Abbildung 46 zunächst wie üblich in Form von C-Bildern und

Fotos dargestellt (auf den Fotos wurden den geformten Teilen allerdings schon Pro-

ben entnommen).

Nr. Organoblech Thermogeformt Foto 10

11


Wie das für das Messen des Temperaturprofils in Kapitel 5.2 verwendete Teil, sind

auch Nr. 10 und 11 glatt und weich. Optisch sowie haptisch sind keine Anomalien

oder Verzerrungen erkennbar. Ebenfalls der Beobachtung des vorangegangenen

Kapitels 5.6 entsprechend, trat eine Wölbung der Teile auf bei der die langen Rän-

dern gekrümmt wurden (die kurzen Ränder können sich nicht verformen, da sie ja

im Halbzeugträger eingespannt sind).

Die C-Bilder der thermogeformten Teile offenbaren einen herausragenden Fort-

schritt der erzielten Strukturgüte gegenüber den vorangegangenen Versuchsreihen.

Waren zuvor noch breit gefächerte und großflächige Defektgebiete auszumachen,

traten sie hier nicht mehr in Erscheinung. Die überwiegend linienförmige Defekt-

struktur der Organobleche blieb nach dem Thermoformen bei Nr. 10 erhalten aber

konnte für Nr. 11 geringfügig verringert werden. Überdies zeigt das C-Bild von Nr.

10 „thermogeformt“ quer zur Längsrichtung linienförmige Defekte, was bei Nr. 11

nicht auftritt. Der mit 10 Tonnen deutlich höhere Masseauftrag der bei Nr. 11 ver-

wendet wurde, hatte also ein eindeutig besseres Ergebnis zur Folge.

Mit dem Einsatz von Silikonmatten traten gegenüber der vorangegangenen Ver-

suchsreihen zwei Effekte auf. Zum einen wurde die allgemeine Güte außerordent-

lich verbessert und ist als hoch zu bewerten. Die These, dass mit einer Silikonmatte


eine gleichmäßige Druckverteilung bewirkt werden könne, hatte sich bestätigt. Zum

anderen trat Verwölbung auf, wenn auch nur in geringem Maße.

Die Ursache für die Verwölbung ist in dem Temperaturprofil bzw. in der Fluidme-

chanik zu suchen. Verglichen mit der vorangegangenen Versuchsreihe

verfestigte sich das Teil langsamer und

es traten keine Verzerrungen auf.

Dass sich das Halbzeug langsamer verfestigt bedeutet im Umkehrschluss, dass die

Matrix länger (dünn-)flüssig bleibt. Wenn sie länger viskos bleibt, hat das zur Folge,

dass mehr Zeit für ihre Verdrängung da ist. Mit dieser Neukonfiguration der Presse

befindet sich das Teil etwa 2/3 der Zeit länger im viskosen Zustand als zuvor. Dies

ist ein Grund für den Verdrängungseffekt, der sich dann in einer Verwölbung nie-

derschlägt. Weiterhin traten bei allen Versuchen zuvor immer Verzerrungen auf.

Wie in Abbildung 42 ersichtlich, sind diese mikroskopisch als Wellenprofil erkenn-

bar. Wenn sich also beim Erstarren des Teils große Bereiche der Oberflächen in

Wellen umgewandelt haben, und beim Thermoformen mit Silikonmatte dies nicht

der Fall war, aber dafür Verwölbung auftrat, liegt eine Gesetzmäßigkeit nahe. Beim

Thermoformen ohne Silikonmatte fanden viele partielle und zeitlich versetzte Verfe-

stigungen statt, die sich in einem Wellenprofil niederschlugen. Die Bewegungsener-

gie im Zeitfenster zwischen flüssig und fest resultierte in Wellen. Bei gleichförmigem

Druckauftrag hingegen (Anwendung der Silikonmatte), resultierte dieselbe Bewe-

gungsenergie nicht in Wellen sondern in Verdrängung. Die zusätzliche Fläche, die

das Wellenprofil durch ihre Form in Beschlag genommen hat und die Fläche, die

aus der Verdrängung hinzugewonnenen wurde, sind in der Summe jeweils gering-

fügig und können als vergleichbar gelten. Dies stützt die vorangegangene Aussage,

dass ein und derselbe Mechanismus (Bewegung von viskoser Masse unter Druck

und Verfestigungsvorgängen) sich unter gegebenen Voraussetzungen unterschied-

lich ausprägen. Wie bereits in Kapitel 3.3 erwähnt, kann „Matrixmigration“ durch

eine zu hohe Temperatur hervorgerufen werden. Da alle bisherigen Versuche mit

einer Aufheiz-Temperatur von 260°C durchgeführt wurden und Matrixmigration im-

mer auftrat (in Form von Wellen oder Verdrängung), ist diese Aussage zum einen

plausibel und zum anderen ein Ansatz für die Verbesserung künftiger Versuche. Um


diesen Effekt zu begegnen sollte die Aufheiz-Temperatur für weitere Versuche dem-

nach kleiner gewählt werden als 260°C. Ein weiterer Ansatz, der auf eine Verkür-

zung der Verfestigungsdauer abzielt, ist, die Temperatur der Presse zu verringern.

Sie war gleichfalls bei allen bisher durchgeführten Versuchen immer auf 100°C tem-

periert. Wird sie beispielsweise gar nicht temperiert (also auf Raumtemperatur bei-

behalten), kann das eine schnellere Verfestigung bedeuten bei dementsprechend

weniger Verdrängung. Eine hohe Qualität bliebe bei fortgesetzter Verwendung von

Silikonmatten weiterhin erhalten.

Zur näheren Untersuchung der thermogeformten Teile sollen nun noch einmal Fein-

schliffbilder angefertigt werden. Hierzu stellt Abbildung 47 die Lage der entnomme-

nen Proben dar.

Abbildung 47: Lage der entnommenen Proben von Nr. 11

Der Eindruck von einer hohen Güte von Nr. 11 bestätigt sich beim Blick auf die

Feinschliff-Bilder, dargestellt in Abbildung 48. Die Ränder sind glatt, was auf homo-

gene Prozessbedingungen (Druck, Temperaturabfall) in der Presse schließen lässt.

Zwischen Probe 2 und 3 sind ferner keine Unterschiede erkennbar. Sie haben ein

geringes Maß an punktuellen Fehlstellen innerhalb der Faserbündel wie es bereits

bei mit hohen Temperaturen konsolidierten Organoblechen (Kapitel 4.3.3) beobach-

tet wurde. Der Unterschied zu Probe 1 besteht darin, dass bei dieser mehr Luftein-

schlüsse vorhanden sind. Probe 1 wurde allerdings einer Stelle entnommen, wo es

gegenüber den anderen beiden Proben eine deutlichere Abweichung des Audio-

signals gibt. Daher ist dies nicht überraschend.


1 2 3

Abbildung 48: Feinschliff-Aufnahmen von Nr. 11

In diesem Kapitel soll an Kapitel 4.3 angeknüpft werden. In diesem Kapitel wurde

die OOA-Herstellung von Organoblechen anhand zweier Temperaturprofile unter-

sucht. Ferner wurde ein Organoblech im Autoklaven hergestellt und die Ergebnisse

gegenübergestellt. Hierdurch sollte die Qualität, die per OOA erzielt werden kann,

eingeschätzt werden können. Da nun die Versuchsanlage in den vorangegangenen

Kapiteln letztlich eingestellt und geeignete Parameter für den Thermoformen-Pro-

zess gefunden werden konnten, bietet es sich an, diesen Vergleich fortzusetzten.

Damit wird die Lücke zwischen einerseits der verfahrensseitigen Anlagen- und Pa-

rameterjustierung und andererseits der materialseitigen Halbzeugherstellung und -

verarbeitung geschlossen. Darüber hinaus bietet dieses Kapitel die Möglichkeit, es

als Revision zu begreifen. Die Quintessenzen aus Kapitel 4 und 5 werden hier ver-

dichtet.

Dieses Mal soll untersucht werden, wie sich der Thermoformen-Prozess nun auf die

unterschiedlich hergestellten Organobleche auswirkt. Schließlich können Struktur,

Form und Komprimierung unterschiedlich ausfallen und gleichfalls von unterschied-

lichen Voraussetzungen abhängen. Die Parameter der hierfür thermozuformenden

Teile sind in Tabelle 9 gelistet. Zu beachten ist, dass OOA250C identisch mit Nr. 11

aus dem vorangegangenen Kapitel 5.7 ist.

Tabelle 9: Verwendete Parameter für das Thermoformen von Autoklav- und OOA -Organoblechen

Prozess Schichtung TIR [°C] TPresse [°C] M [t] t [s] Sonstiges Autoklav [0]6 400 RT 10 45 Silikonmatte auf Werkzeugpaar

OOA222C [0]6 400 RT 10 45 Silikonmatte auf Werkzeugpaar

OOA250C [0]6 400 100 10 45 Silikonmatte auf Werkzeugpaar

Es wird, wie gehabt, mit den C-Bildern begonnen. In Abbildung 49 sind in der oberen

Reihe die C-Bilder der drei Organobleche je Herstellungsprozess dargestellt. In der


zweiten Reihe darunter sind die C-Bilder genau dieser Organobleche nachdem sie

thermogeformt wurden.

Auf der linken Seite ist das im Autoklaven hergestellte und thermogeformte Halb-

zeug. Wie das Organoblech vermittelt auch das thermogeformte Teil eine sehr

gleichförmige Struktur. Es kann nicht erwartet werden, dass Defekte induziert wur-

den. Ein geringfügiges Ausbrechen aus der Form ist erkennbar. Dies gilt auch bei

dem thermogeformten Teil von OOA222C. Auch hier fand ein geringfügiges Aus-

brechen statt. Das C-Bild deutet ferner auf keine strukturellen Verbesserungen hin.

Wie beim Organoblech sind auch nach dem Thermoformen weiterhin linienförmige,

in Faserrichtung verlaufende Abweichungen des Audiosignals zahlreich vorhanden.

Wie bereits in Kapitel 5.7 erörtert, fand beim Thermoformen von OOA250C, d. h.

Nr. 11, eine geringfügige Verbesserung statt. Ein Ausbrechen aus der Form ist ge-

genüber den anderen beiden Teilen vergleichbar.

Autoklav OOA 222°C OOA 250°C (Nr. 11)

Org

anob

lech

Therm

og

efo

rmt

Abbildung 49: Vergleich von Organoblechen und thermogeformter Teile - C-Bilder

Um vertiefend Aufschluss über die strukturellen Veränderungen durch das Thermo-

formen zu erhalten, werden Feinschliff-Aufnahmen angefertigt. Diese sind in Abbil-

dung 50 dargestellt. Für das im Autoklaven hergestellte thermogeformte Teil bestä-

tigt sich die Beobachtung aus den C-Bildern. Die Struktur ist weiterhin hochwertig

und es sind keine neuen Defekte erkennbar. Eine gesteigerte Verdichtung der Fa-

serbündel die auf eine Komprimierung schließen lassen würden, ist nicht zu erken-

nen. Für das OOA222C-thermogeformte Teil ist dies anders. Hier fand durch das

Thermoformen tatsächlich eine enorme Verdichtung der Faserbündel, also eine

Steigerung des Faservolumengehalts, statt. Ferner lässt sich feststellen, dass au-

ßerordentlich viel Porenvolumen geschlossen wurde. Wenngleich aus den C-Bil-

dern kein großer struktureller Unterschied vermutet werden konnte, so wirken diese


Feinschliff-Bildern dazu wie ein Widerspruch. Diese Feinschliff-Bilder vermitteln,

dass eindeutig und in beachtlicher Größenordnung Strukturverbesserung stattfand.

Beim thermogeformten Teil von OOA250C (Nr. 11) kann gegenüber dem Orga-

noblech dagegen keine bemerkenswerte Veränderung im Faservolumengehalt fest-

gestellt werden. Davon abgesehen konnte eine geringfügige Minderung der Poren

erzielt werden.

Autoklav OOA 222°C OOA 250°C (Nr. 11)

O

rga

nob

lech

T

herm

og

efo

rmt

Abbildung 50: Vergleich von Organoblechen und thermogeformter Teile – Schliffbilder

Schließlich wird die Dicke der thermogeformten Teile gemessen und jenen der Or-

ganobleche gegenübergestellt. Dafür wird dasselbe Verfahren verwendet wie in Ka-

pitel 4.3.3 beschrieben, also das rasterförmige Messen und statistische Auswerten

der Messungen. Für den Vergleich werden die Ergebnisse dann in das aufgestellte

Diagramm aus Abbildung 30 (s. S. 30) eingefügt, womit die Daten für das Orga-

noblech ergänzt werden. Die Dicken vor und nach dem Thermoformen für jeden

Herstellungsprozess sind so übersichtlich gegenübergestellt. Abbildung 51 zeigt

dieses Diagramm.


Abbildung 51: Vergleich von Organoblechen und thermogeformter Teile – Dicke

Für das Autoklaven-Organoblech kann folgendes konstatiert werden: Vor dem Ther-

moformen steht eine schichtspezifische Dicke von 5,34 mil in Kontrast zu 5,44 mil

nach dem Thermoformen. Dass es nicht kompaktiert wurde ist plausibel: Die Her-

stellung im Autoklaven geschieht unter anliegendem Vakuum und beaufschlagtem

Druck. Hierdurch erfährt das Organoblech höchste Kompaktierung. Für einen dar-

auffolgenden Verarbeitungsprozess ist dann kein Spielraum mehr für eine Verbes-

serung vorhanden. Dies bestätigt auch die vorigen Analysen (C-Bilder und Fein-

schliff-Aufnahmen) der im Autoklaven hergestellten und dann thermogeformten

Teile. Die minimale Aufdickung von weniger als zwei Prozent je Schicht

(1 - 5,34/5,44 ≈ 1,8%) liegt im Bereich der Streuung aller Effekte die mit Messungen

einhergehen. Die Abweichung der Messungen, die hier in Form der Standardabwei-

chung ausgedrückt wird, hat sich hingegen durch das Thermoformen von 0,41 auf

0,87 mil praktisch verdoppelt. Leichte Unregelmäßigkeiten des thermogeformten

Teils waren bereits in seinem C-Bild erkennbar. Auch dies verdeutlicht, dass durch

den Herstellungsprozess im Autoklaven eine Hoch- und Gleichförmigkeit erzielt

wird, die durch einen Folgeprozess schwer übertroffen, sondern nur noch gestört

werden kann. Dies gilt insbesondere für einen Prozess wie dem Thermoformen, der

eine Aufeinanderfolge von mehreren einzelnen Prozessen ist (s. Abbildung 13

S. 15). Hierdurch addieren sich, zumindest im Umfeld eines Fertigungslabors, Feh-

lerquellen die sich sowohl in der Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens als auch in ihrer

Ausprägung auswirken und Abweichungen verursachen. Im industriellen, automati-

sierten Umfeld können diese allerdings weitreichend minimiert werden.


Für das Organoblech aus dem OOA222C-Prozess hingegen fand eine deutliche

Kompaktierung statt. Die Dicke betrug vor dem Thermoformen 6,44 mil und 5,62 mil

danach. Dies entspricht der Beobachtung aus den Schliffbildern als eine deutliche

Verdichtung der Faserbündel und gleichfalls eine deutliche Verminderung der

Porenanteile konstatiert wurde. Sie ist ferner nur geringfügig dicker als die oben

besprochene Dicke der Teile aus dem Autoklaven. Die Streuung der Dicke blieb mit

0,36 mil vor dem Thermoformen und 0,35 mil danach quasi konstant. Zusammen-

gefasst heißt das, dass bei konstanter Streuung der Dicke das Organoblech durch

das Thermoformen deutlich kompaktiert wurde. Die Kompaktierung geschah durch

eine deutliche Erhöhung des Faservolumengehalts und des Schließens von Poren.

Dies kann nicht anders als ein großer Erfolg gewertet werden.

Ein ganz ähnliches Bild ergibt sich aus der Analyse der Dicke des thermogeformten

OOA250C-Organoblechs. Auch hier fand eine signifikante, wenngleich geringere

Kompaktierung statt. Sie sank von 5,76 auf 5,24 mil wobei die Standardabweichung

von 0,47 auf 0,43 mil praktisch unverändert blieb. Dass die Kompaktierung geringer

ausfällt als es bei beim thermogeformten OOA222C-Teil der Fall war ist nicht über-

raschend: Die Struktur des Organoblechs war bereits, anders als beim OOA222C-

Organoblech, nennenswert verdichtet. Dadurch steht weniger Reserve für eine zu-

nehmende Verdichtung zur Verfügung. Ferner stellt das hochgradig konsolidierte

und verdichtete Autoklaven-Organoblech die de facto untere Grenze des Möglichen

dar. Diese untere Grenze wurde mit dem Thermoformen des OOA250C-Orga-

noblechs auch erreicht. Dennoch sind, wenn auch nur geringfügig, mehr Poren zu

erkennen. Das anzustrebende Ideal, per OOA eine Qualität zu erzielen die an Au-

toklaven-Qualität heranreicht wurde zwar nicht uneingeschränkt, aber jedoch annä-

hernd erreicht.

6 Thermoformen mit 3D-Werkzeug (Hutprofil) 56

6 Thermoformen mit 3D-Werkzeug (Hutprofil)

Nachdem in Kapitel 5 mit dem flachen Thermoformen ein stabiler, passender Pro-

zess entwickelt werden konnte, folgt in diesem Kapitel nun die nächsthöhere Ab-

straktionsstufe. Hierfür zeigt Abbildung 52 zunächst ein übliches Konzept von B-

Säulen im Automobil.

Abbildung 52: Mehrgliedriges Konzept einer B-Säule

Es handelt sich um eine hohle Einfassung von mindestens zwei Bauteilen. Die äu-

ßere Komponente der B-Säule („Stirnseite“) hat dabei ein nach außen gewölbtes

Mittelteil und flache Ränder. In der Entwicklung einer ganzheitlich aus CFK beste-

henden B-Säule ist diese Komponente ebenfalls enthalten. Sie soll einstmals 1:1

thermogeformt werden. Um sich diesem Ziel zu nähern, wird sie in dieser Arbeit für

das zu verwendende Werkzeug zunächst abstrahiert. Die zwei unterschiedlichen

Krümmungen an der unteren bzw. oberen Flanke, werden übernommen. Die Krüm-

mung entlang der Längsachse wird hingegen nicht übernommen und bleibt im

Werkzeug konstant. Diese dreidimensionale Geometrie des verwendeten Werk-

zeugs wird hier „Hutprofil“ genannt. In Abbildung 53 ist das Werkzeug abgebildet.

Anmerkung: Die technische Zeichnung des Werkzeugs unter Angabe aller geome-

trischen Maße ist in Anhang A.2 hinterlegt.


Abbildung 53: Werkzeug mit Hutprofil, rechts mit Silikonüberzügen

Bevor das neu installierte Werkzeug verwendet werden kann, wird es justiert. Das

obere Werkzeug ist mit zwei Inbusschrauben (alle Inbusschrauben sind einheitlich

M10) an der oberen Traverse der Presse fixiert. Die Bohrungen sind allerdings ge-

weitet, sodass es nach rechts und links leicht beweglich ist. Dieses Spiel ist wichtig

für die Justierung. Das untere Werkzeug kann mit sechs Inbusschrauben befestigt

werden. In dieser Arbeit werden diese Schrauben allerdings nicht befestigt. Sie wer-

den eingeschraubt aber nicht verspannt.

Die Justierung geschieht nun wie folgt: Oberes und unteres Werkzeug werden be-

festigt sodass sie aber noch beweglich sind. Auf das untere Werkzeug wird dann

eine widerstandsfähige, elastische Matte gelegt (in dieser Arbeit wurde ein Vliesstoff

aus Glasfasern verwendet), die mindestens 3cm dick ist oder mehrfach gefaltet wird

bis diese Mindestdicke erreicht wird. Dann wird die Presse geschlossen, und 3 Ton-

nen Masse aufgetragen. Der Masseauftrag wird dann langsam auf etwa 10 Tonnen

erhöht. Hiermit wird erreicht, dass sich die beiden Werkzeugeinheiten ausrichten.

Sollten sie zuvor noch nicht genau aufeinander ausgerichtet sein, gibt es einen un-

gleichmäßigen Druck zwischen den Werkzeugformen der die Werkzeuge zur Seite

drückt. Im Wesentlichen wird das obere Werkzeug bewegt, da es hängend ist und

daher weniger reibt als das untere, das mit seiner gesamten Fläche und seinem

gesamten Gewicht auf der unteren Traverse haftet. Hat sich ein gleichmäßiger

Druck eingestellt, sind die Werkzeuge ausgerichtet was gleichmäßige Abstände

zwischen den beiden Formen bedeutet. Die Schrauben an den Werkzeugen werden

danach nicht weiter angezogen. Die Justierung ist damit abgeschlossen und das

neue Werkzeug bereit zum Einsatz.

Das Umformen unter den Voraussetzungen der vorliegenden Presse und des Werk-

zeugs verdeutlicht Abbildung 54. Auf den abgebildeten Werkzeugteilen ist bereits


eine 240 mil Silikonschicht (je 120 mil auf dem oberen und unteren Werkzeugteil) in

schwarzer Farbe aufgetragen.

Nachdem das Halbzeug von den IR-Heizkörpern zur Presse transportiert wurde,

bewegt sich das untere Werkzeugteil darauf zu. Zum Zeitpunkt des ersten Kontakts

berühren sich die Stirnseite des unteren Werkzeugteils und der entsprechende Flä-

chenabschnitt des Halbzeugs. In der sich fortsetzenden Aufwärtsbewegung des un-

teren Werkzeugs wird dieser Abschnitt nach oben gedrückt. Es kommen hierbei die

unteren Kanten und Flanken des oberen Werkzeugs mit dem Halbzeug in Kontakt.

Dadurch ergibt sich ein vierfach umgelenktes Profil, und zwar an den oberen beiden

Kanten des unteren als auch unteren beiden Kanten des oberen Werkzeugteils (Ab-

bildung 54 mitte). Ferner besteht in diesem Zustand flächiger Kontakt mit drei Stel-

len des Halbzeugs: an der Stirn des unteren und an den Flanken des oberen Werk-

zeugteils. Die weitere Aufwärtsbewegung zieht das Halbzeug zunehmend in die

Form hinein. Durch die federnde Befestigung des Halbzeugs kann unter praktisch

konstanter Kraft das Halbzeug von dem Halbzeugträger zunehmend frei gegeben

werden. Die finale Form ist dann im selben Moment erreicht wenn das Werkzeug

geschlossen ist. Bis die Presse endgültig geschlossen ist findet demnach eine

Formgebung, also die Drapierung auf die untere Werkzeugoberfläche statt. Damit

ist der Übergang von Formgebung und Druckauftrag diskret. Eine Besonderheit be-

steht darin, dass ein gleichmäßiger Kontakt der gesamten Fläche des geschlosse-

nen Werkzeugpaars (die anzustreben ist) von der Abstimmung zwischen Silikon-

schichtdicke und Organoblechdicke abhängt. Dies muss in den Versuchen berück-

sichtigt werden.

Abbildung 54: Ablaufskizze des Halbzeug-Pressens (je Werkzeug 120 mil Silikonschichtdicke aufgetragen)

Eine der Erkenntnisse aus dem vorigen Kapitel ist, dass ein Thermoformen unter

gegebenen Voraussetzungen ohne Silikonüberzüge auf den beiden Werkzeugteilen


keine akzeptablen Ergebnisse bewirkt. Daher werden von nun an permanent Sili-

konüberzüge auf dem Werkzeugpaar verwendet.


Nr. Schichtung TIR [°C] TPresse [°C] M [t] t [s] Sonstiges 12 [0/90]2s 400 RT 10 60 240 mil Silikonmatte auf Werkzeugpaar

Als erstes wird ein [0/90]2s-Organoblech thermogeformt. Die Parameter hierfür sind

in Tabelle 10 gelistet. Bilder des thermogeformten Teils sind in Abbildung 55 zu

sehen. Neben den äußeren Flanken an denen das Werkzeug Kontakt hatte, kam es

zu Aufwellungen. Allerdings sollen alle Bereiche, die nicht in Kontakt mit dem Werk-

zeug kommen, zunächst nicht bewertet werden. Von Interesse ist lediglich, was

thermogeformt wird. Denn es wird nicht erwartet, dass das Thermoformen einer B-

Säule ohne Verschnitt geschehen kann. Bereiche die jenseits des thermogeformten

Gebiets liegen, würden später einfach abgeschnitten werden.

Abbildung 55: Thermogeformtes Teil Nr. 12

Das eigentliche thermogeformte Teil macht im Allgemeinen einen sehr gleichförmi-

gen Eindruck. Kompaktierung fand auf der Stirnfläche, an den Radien und an den

Flanken sichtlich statt. Die Oberflächen sind überwiegend sehr glatt und störungs-

frei. An den Seitenwänden ist dies allerdings nicht der Fall. Hier ist deutlich und über

die gesamte Länge des Teils hinweg Faltenschlag zu sehen.


Der Grund hierfür liegt in der Werkzeuggeometrie. Sie besteht, lediglich das Hut-

profil betrachtend, aus insgesamt vier Ebenen. Zwei Ebenen sind waagrecht: Je die

Stirnseite und die Flanke. Die anderen zwei Ebenen, die Seitenwände, sind schief

und liegen zwischen den beiden waagrechten Ebenen. Die Geometrie und die Maße

bedingen es, dass, wenn die Presse geschlossen wird, die waagrechten Flächen

gleichzeitig mit ihrem jeweiligen Gegenstück Kontakt bekommen. In geschlossenem

Zustand haben also die Stirn und die Flanken Kontakt. Dies ist nicht der Fall bei den

Seitenwänden. Innerhalb der Seitenwände besteht in geschlossenem Zustand und

ohne Silikonmatten ein Spalt. Er hat je Seite eine Weite von 300 mil (ca. 7,6 cm).

Abbildung 56 skizziert das Werkzeug in geschlossenem Zustand und zeigt die Aus-

gangslage.

Abbildung 56: Hutprofil-Werkzeuggeometrie in geschlossenem Zustand

Werden nun Silikonmatten mit einer Gesamtdicke unterhalb 300 mil aufgetragen,

bleibt eine Spaltweite aus der entsprechenden Differenz erhalten. Es gilt:

∆𝑑 = 𝑑0 − 𝑑𝑠𝑖𝑙𝑖𝑘𝑜𝑛 . (6.3)

Befindet sich ein Halbzeug in diesem Spalt, und soll dieses an den Seitenwänden

Druck erfahren, muss gelten:

𝑑𝐻𝑎𝑙𝑏𝑧𝑒𝑢𝑔 − ∆𝑑 > 0 . (6.4)

Abbildung 57 veranschaulicht diese Abstandsverhältnisse in der Seitenwand an-

hand einer Skizze.


Abbildung 57: Abstandsverhältnisse zwischen den Seitenwänden im geschlossenen Werkzeug

Beim Thermoformen von Organoblechen mit dem hier verwendeten Hutprofil müs-

sen also die Spaltweite des Werkzeugpaars, die Dicke des Halbzeugs, und die

Dicke der Silikonschichten berücksichtigt werden. Die Summe der Dicken aus Sili-

konmatten und Halbzeug muss grösser 300 mil sein damit der Druckauftrag an den

Seitenwänden stattfindet. Dies war bei Nr. 12 nicht der Fall. Dessen Dicke wurde

bevor es thermogeformt wurde nicht explizit gemessen, jedoch kann auf die Daten

von der Halbzeuguntersuchung aus Kapitel 4.3.3 zurückgegriffen werden. OOA-

Halbzeuge, die unter dem Hochtemperaturprozess (OOA250C) hergestellt wurden,

wie es auch bei Nr. 12 der Fall war, haben eine gemittelte Dicke je Schicht von

5,76 mil. Für die Approximation wird auf 6 mil aufgerundet. Bei 8 Schichten wie es

bei Nr. 12 der Fall ist, macht das eine Dicke von 8*6 mil ≈ 48 mil. Die Spaltweite von

300 mil abzüglich der Halbzeugdicke von 48 mil ergibt die für einen Druckauftrag an

den Seitenwänden erforderliche Dicke der Silikonmatten von 252 mil. Beim Ther-

moformen von Nr. 12 lagen aber, wie in Tabelle 10 ersichtlich, nur 240 mil an. Das

bedeutet, dass die Seitenwände von Nr. 12 keinen, zumindest jedoch keinen defi-

nierten, Kontakt zu den Silikonmatten hatten. Ein Teil des Drucks der auf der Stirn

und den Flanken anlag und diese komprimierte, wirkte in die frei stehenden Seiten-

wände fort. Diese wichen dem aus, was dann als Faltenschlag sichtbar wurde. Von

einer weiterführenden Untersuchung von Nr. 12 wird abgesehen. Faltenschlag ist

ein inakzeptables Merkmal für eine thermozuformende B-Säule deren Ursachen es

zu beheben und zu kontrollieren gilt.


Nachdem die Wichtigkeit einer geeigneten Dicke der Silikonmatten deutlich wurde,

folgt nun das Thermoformen eines dickeren Organoblechs. Diesmal handelt es sich

um einen zehnschichtigen Kreuzverbund. Die Dicke dieses Organoblechs wurde

abermals extrapoliert. Mit 10*6 mil ≈ 60 mil ist eine Gesamtdicke der Silikonmatten

von mindestens 300 mil - 60 mil = 240 mil erforderlich. Dies entspricht dem, was

bereits bei Nr. 12 angewendet wurde. Die Silikonschichten bleiben in diesem Ver-

such unverändert. In Tabelle 11 sind die Parameter für das Thermoformen von Nr.

13 aufgeführt. Abbildung 58 zeigt Fotos des Resultats, wobei schon Markierungen

vorgenommen und einzelne Abschnitte für weiterführende Untersuchungen zersägt

wurden.


Nr. Schichtung TIR [°C] TPresse [°C] M [t] t [s] Sonstiges 13 [0/90/0/90/0]s 400 RT 10 75 240 mil Silikonmatte auf Werkzeugpaar

1 2 3

4 5

Abbildung 58: Thermogeformtes Hutprofil Nr. 13

Wie zu sehen ist, konnte der Faltenschlag im Wesentlichen behoben werden. Die

zuvor angestellte Ursachenbestimmung, wonach der Faltenschlag auf ein Missver-

hältnis von Organoblech- und Silikonschichtdicke zurückzuführen ist, wird hierdurch

bestätigt. Bis auf die mangelbehafteten Seitenwände hatte Nr. 12 eine hohe Ober-

flächengüte, die sich hier fortsetzte. Die Oberfläche ist ebenfalls innerhalb des ei-

gentlichen Hutprofils glatt und weich. Es gibt allerdings zwei Ausnahmen:


Zum einen sind an der linken Seitenwand wenige sehr schmale, linienförmige Fält-

chen zu sehen (Bild 1, 2). Sie sind alle auf etwa der gleichen Höhe in der Nähe der

Stirnfläche. Es ist davon auszugehen, dass es in diesem Bereich eine Anomalie an

dem Halbzeug gab. Kleinere Verschmälerungen des Halbzeugs an einzelnen Be-

reichen in diesem Abschnitt kann zu partiell fehlendem Kontakt geführt haben.

Zum anderen sind auf der Unterseite des Teils an den Rundungen der Stirnseite

einzelne, sehr kleine Ausbrüche der Fasern erkennbar (Bild 4, 5). Diese sind zwar

auch gekrümmt, aber nach innen eingefallen mit größeren Radien. Hierfür können,

ähnlich wie bei der zuvor besprochenen Anomalie, einzelne Druckverluste durch

Dickenabweichungen verantwortlich gemacht werden.

Angesichts des ansonsten sehr guten Ergebnisses sind diese Fehlstellen allerdings

marginal und sollen nicht überbewertet werden. Für die folgenden Versuche ist dies

jedoch Anlass, eine größere Silikonschichtdicke zu verwenden. Durch eine konser-

vativere (das heißt größere) Dicke der Silikonschicht sollen Abweichungen von Ma-

terial und System ausgeglichen werden. Aufwellungen hinter den Flanken traten,

wie bereits im zuvor thermogeformten Teil, hier ebenfalls auf.

Da hier also ein Teil geformt wurde, das einen im Wesentlichen guten optischen

Eindruck macht, wird es vertiefend untersucht. Es werden zunächst Feinschliff-Pro-

ben angefertigt. Wie aus den Bildern 1 und 3 von Abbildung 58 ersichtlich, sind auf

dem Teil Zahlen von eins bis neun aufgetragen. Sie markieren die Stellen, wo zu

untersuchende Proben entnommen wurden. Sie decken alle auftretenden Krüm-

mungen und geraden Abschnitte ab. Dadurch soll ein komplettes Profilbild angefer-

tigt werden.

Zunächst soll ein Eindruck aus einer makroskopischen Perspektive des Profils ge-

wonnen werden. In Abbildung 59 wurden alle makroskopischen Aufnahmen der Pro-

ben entsprechend ihrer Lage im geformten Teil aneinandergereiht.


Abbildung 59: Aneinandergereihte Feinschliff-Aufnahmen des Profils von Nr. 13

Die geraden Proben der Flanken, Seitenwände und der Stirn (1, 3, 5, 7 und 9) sehen

uniform und gleichmäßig aus. An diesen Proben gibt es in dieser Betrachtungsweise

keine Anzeichen für Defekte. Auch bei den unteren gekrümmten Bereichen der Pro-

ben 2 und 8 ist die Krümmung gleichförmig. Es sind hier ebenfalls keine Defekte

erkennbar. Bei den beiden oberen Proben 4 und 6 hingegen ist die Krümmung un-

gleichförmig. Die Krümmungsradien ändern sich entlang ihrer Länge je bei der Pro-

benmitte. Sie wirken dort wie ein Knick mit einer erkennbaren, lokalen Ausdünnung.

Hier sind die Radien sichtbar kleiner als bei Proben 2 und 8. Die Werkzeuggeome-

trie hat an der Stirnseite ebenfalls kleinere Radien als an der Flankenseite, siehe

Abbildung 60 (vollumfängliche Geometrieangaben des Werkzeugs sind in Anhang

A.2, Abbildung 64 hinterlegt). Dies erklärt die allgemein kleineren Radien der Pro-

ben. Eine Änderung der Radien an der Stirnseite existiert allerdings nicht, da diese

konstant sind. Bevor plausible Schlüsse aus dieser Beobachtung gezogen werden

können, sollen die Proben zunächst näher untersucht werden um mehr Informatio-

nen zu erlangen.


Abbildung 60: Geometrie des Hutprofil-Werkzeugs [mm]

Aus diesem Zwecke werden nun mikroskopische Nahaufnahmen dieser Proben an-

gefertigt. In Abbildung 61 sind diese, wie zuvor entsprechend nummeriert, darge-

stellt.

Aus den Bildern ist sodann ersichtlich, dass für alle der Proben nur eine äußerst

geringe Porosität besteht. Lufteinschlüsse sind über alle neun Proben hinweg kaum

auszumachen. Ferner sind sämtliche Ränder glatt ohne auftretende Wellen oder

andere Störungen. Was die geraden Abschnitte, d. h. Proben 1, 3, 5, 7 und 9, be-

trifft, so sind sie auch diesmal ohne erkennbare strukturelle Unterschiede. Die ein-

zelnen Schichten jeder dieser Proben sind ohne erkennbare Defekte und in etwa

gleich dick. Die Gesamtdicke jeder Probe, die auch in dem jeweiligen Bild notiert ist,

ist jedoch verschieden. Hierauf wird unten zurückgekommen werden. Was für die

geraden Proben gilt, gilt ebenfalls für die Proben 2 und 8 aus der unteren Krüm-

mung. Auch hier sind keine Defekte auszumachen und die Schichten haben unter-

einander eine ähnliche Dicke.


1 2 3

4 5 6

7 8 9

Abbildung 61: Nahaufnahmen der Feinschliff-Bilder von Abbildung 59 mit 90°-Perspektive

Bei den Proben 4 und 6 ist das Bild weniger einheitlich, was angesichts der ange-

stellten Beobachtungen aus Abbildung 59 bereits zu erwarten war. Insbesondere

die jeweils unteren beiden 90°-Schichten (zweite und vierte Schicht von unten) sind

deutlich schmäler als die anderen Schichten. Sie sind auch die einzigen 90°-Schich-

ten unterhalb der Symmetrieebene. Um diesen Effekt und das Teil im Ganzen näher

zu untersuchen, werden nochmals neun Proben an denselben Stellen entnommen.

Von diesen Proben werden dann Schliffbilder in 0°-Richtung, also in Blickrichtung

quer auf das Teil angefertigt. Dies verschafft einen Einblick in das Längsprofil und

damit auf die Auswirkungen in diese Richtung. Zu sehen sind diese Schliffbilder in

Abbildung 62. Die Nummerierung ist entsprechend der vorangegangenen Notation.


1 2 3

4 5 6

7 8 9 Abbildung 62: Nahaufnahmen der Feinschliff-Bilder von Abbildung 59 mit 0°-Perspektive

Insgesamt entsprechen die Schliffbilder dem, was bereits in 0°-Richtung konstatiert

werden konnte. So sind alle Proben außer Nr. 4 und 6 strukturell relativ einheitlich.

Die einzelnen Schichten je Probe haben eine gleichförmige Dicke, keine sichtbaren

Lufteinschlüsse oder andere Defekte sowie überwiegend glatte, gleichförmige Rän-

der. Bei Nr. 4 und 6 sieht es, wie in der vorangegangenen Sichtung der Proben,

anders aus. Die verdünnten unteren Schichten in 0°-Richtung sind hier ebenfalls

erkennbar. Zudem hat bei Nr. 6 und noch deutlicher bei Nr. 4 die oberste Schicht in

0°-Richtung eine deutliche Verdickung erfahren. Es gibt eine steigende Matrixkon-

zentration von unten nach oben. Die Fasern der untersten Schicht in 90°-Richtung

sind dicht gepackt ohne Zwischenräume die von einer Matrix ausgefüllt ist. Bei der

nachfolgenden Schicht in 90°-Richtung trifft dies ebenfalls zu. Bei der obersten

Schicht in 90°-Richtung hingegen ist an der Oberkante eine Matrixansammlung zu

sehen. Überdies sind die Ränder von Nr. 4 und 6 deutlich rauer als die anderen

Proben, wobei Nr. 4 bereits gar leicht wellenförmig ist.


Um sich zu verdeutlichen wie die verschiedenen Dicken der Proben zueinander im

Verhältnis stehen, wird das Dickenprofil skizzenhaft aufgezeichnet nachdem sie von

den Schliffbildern ausgemessen wurden. Abbildung 63 zeigt dieses Dickenprofil.

Wie bereits erwähnt hatte das Organoblech eine mittlere Dicke von etwa 60 mil. Alle

Proben haben demnach Druck erfahren, da sie alle deutlich dünner als 60 mil sind.

Zu den dicksten Proben gehören zum einen jene, die von den Seitenwänden ent-

nommen wurden mit 5.64 bzw. 5.44 mil. Zum anderen gehört die linke untere Bie-

gung mit 5.53 mil Dicke ebenfalls hierzu. Die rechte untere Biegung und die beiden

Flankenteile haben ferner ebenfalls eine ähnliche Dicke von zwischen 4,8 und 5,1

mil. Die beiden oberen Biegungen haben deutlich die geringsten Dicken von je etwa

4 mil. Die Oberseite ist mit 4,46 mil signifikant dicker als die angrenzenden Biegun-

gen und gleichfalls dünner als die restlichen Proben.

Abbildung 63: Skizziertes Dickenprofil von Nr. 13

Im Wesentlichen ist sowohl das Dickenprofil als auch die Struktur, unter Berücksich-

tigung von Schwankungen, relativ gleichmäßig. Die Ausnahmen sind die oberen

beiden Krümmungen repräsentiert durch Proben Nr. 4 und 6. Sie zeigten Defekte

und Anomalien die durch das Thermoformen eingeprägt wurden. Es umfasst die

Ausdünnung und die Verdickung einzelner Schichten sowie leicht verzerrte Ober-

flächen. Es ist klar ersichtlich, dass diese Bereiche zugleich die kritischsten Stellen

sind und sich dadurch auch am ausgeprägtesten auswirken. Sie haben eine Paa-

rung der Radien von 2,4 mm innen und 10 mm außen. Dem steht eine Paarung der

unteren Krümmungen von 10 mm innen und 17,6 mm außen gegenüber. Das be-

deutet, dass die Krümmung des Teils unten deutlich gutmütiger erfolgt als oben. Ein


geringeres Maß an Umformung und dadurch ein weitaus geringerer Keileffekt sind

die Folge, die sich weniger einschneidend auswirkt. Eine wesentliche Einstell-

grösse, mit der man diesen Defektentwicklungen begegnen kann, ist die Zugkraft

aus dem Halbzeugträger. Die komplexen Vorgänge der Zustandsänderungen die

das Teil vom ersten Kontakt mit dem Werkzeug bis zur Abkühlung unter Druck er-

fährt (vgl. Kapitel 6.2), werden durch eine hohe anliegende Zugkraft unnötig ver-

stärkt. Kann die Zugkraft derart verringert werden, dass sie nur so groß ist wie zum

Halten nötig, werden damit auch die Koppeleffekte aus den vielzahligen Einfluss-

größen (beispielsweise innere und äußere rheologische Dynamik) entschärft. Span-

nungsinduktionen können damit insgesamt vermindert und weniger Defekte erwar-

tet werden.

Durch die Ausdünnung der oberen Krümmungen mindert die deutliche Dickenab-

weichung die allgemeine Qualität von Nr. 13. Trotz dessen sollen die erfolgreichen

Teilaspekte in diesem Versuch nicht unerwähnt bleiben:

es entstanden keine strukturellen Defekte,

die Oberflächen sind störungsfrei,

7 von 9 Bereichen zeigen ein jeweils hochwertiges, gleichförmiges Profil.

7 Diskussion 70

7 Diskussion

Die Ergebnisse der Arbeit sind beschränkt auf die Art der verwendeten Halbzeuge.

Es wurde überwiegend eine unidirektionale Schichtung mit geringer Dicke verwen-

det. Für andere Schichtaufbauten und/oder dickere Halbzeuge können diese Ergeb-

nisse allerdings als skalierbare Orientierung dienen. Ferner sind Prozesszeiten, und

hier insbesondere die Zeit in der das Halbzeug erhitzt wird, von den Komponenten

der Versuchsanlage abhängig. Die Bewertung der Prozesszeiten sollte also nicht

ohne weiteres als allgemeingültig erklärt werden. Kürzere Prozesszeiten, vor allem

bei der Erhitzung des Halbzeugs, können mit anderen Komponenten einhergehen.

Die angewendeten OOA-Prozessprofile zur Organoblechherstellung hatten eine

Maximaltemperatur von 222°C und 250°C. Dem wurde das Autoklaven-Prozesspro-

fil mit 270°C und 7 Bar Druckauftrag gegenübergestellt. Die erzielte Qualität war mit

222°C deutlich schlechter als es mit 250°C der Fall war. Mit 250°C konnte eine sehr

gute Qualität erreicht werden, die allerdings immer noch einen erwähnenswerten

Abstand zu der Qualität aus dem Autoklaven aufweist.

Zu beachten ist aber nicht nur, dass der Autoklaven-Prozess eine um 21°C höhere

Maximaltemperatur hatte, sondern dass mit ihm auch exorbitant höhere Kosten ein-

hergehen. Das bedeutet einerseits, dass durchaus noch Optimierungspotential für

den OOA-Prozess besteht indem man eine höhere Maximaltemperatur verwendet.

Schließlich markiert 250°C nur die untere Grenze der vom Prepreghersteller emp-

fohlenen Prozesstemperatur wohingegen 271°C als die obere Grenze angegeben

wird. Andererseits muss bei der Bewertung berücksichtigt werden, dass der OOA-

Prozess billig und flexibel ist. Dies macht den Qualitätsabstand zum Autoklaven-

Prozess relativierbar. Für die vorliegenden Ergebnisse kann daher folgendes ge-

schlussfolgert werden: Es können per OOA beachtliche und nur geringfügig minder-

wertigere Ergebnisse erzielt werden als durch den Autoklaven. Angesichts der

Überlegenheit in allen anderen Bereichen von OOA scheint dies, insbesondere für

die kostensensible Automobilindustrie, vertretbar. In jedem Fall sollte für den Pro-

zess eine Maximaltemperatur von 250°C nicht unterschritten werden.

Angesichts der Ergebnisse aus den Thermoform-Versuchen ist allerdings eine op-

timale Halbzeugqualität nicht notwendigerweise erforderlich. Dies wurde gezeigt,

als ein relativ minderwertiges Halbzeug (sehr porös und wenig verdichtet) durch das

7 Diskussion 71

Thermoformen deutlich aufgewertet werden konnte. Auch das höherwertige

OOA250C-Halbzeug konnte durch das Thermoformen zusätzlich kompaktiert wer-

den was mit Verminderter Porosität einherging. Für die Automobilindustrie birgt dies

ein großes Potential: Wenn alle Prozessparameter insbesondere von der Presse

optimal eingestellt sind, sind nochmals optimierte, hervorragende Ergebnisse reali-

stisch. Schwankungen in der Halbzeugherstellung könnten so ausgeglichen wer-

den. Weniger Qualitätskontrolle und geringere Halbzeugherstellungskosten würden

aufzuwenden sein.

Zumindest im Umfeld eines Fertigungslabors wie es im Rahmen dieser Arbeit der

Fall war, wurde erkennbar, dass die Verwendung von Werkzeugen mit elastischer

Kontaktoberfläche essentiell ist. Sie war in dieser Arbeit die entscheidende Voraus-

setzung für hochwertige Ergebnisse. Für die industrielle Anwendung mit hochpräzi-

sen Maschinen kann dies obsolet sein. Mit der Anwendung von elastischer Werk-

zeugoberflächen tritt allerdings ein weiterer Parameter in das System ein: Seine

Dicke und sein Materialverhalten haben Einfluss auf das Ergebnis und sind entspre-

chend zu untersuchen und einzustellen.

Es wurde erkannt, dass eine zu hohe Halbzeugtemperatur zu vermeiden ist, da die

Matrix in dem Fall zu den Seiten herausgepresst werden kann. Bei dünnen Halb-

zeugen, wie in dieser Arbeit verwendet, konnte dies bei Temperaturen von etwa

250-260°C beobachtet werden. Allerdings wurde dieser Effekt durch unidirektiona-

len Schichtaufbau begünstigt. Voraussichtlich wird er sich bei anderen Schichtauf-

bauten deutlich weniger auswirken. Eine temperierte Presse begünstigt das Her-

auspressen der Matrix dadurch dass sie länger viskos bleibt. Lediglich wenn per

Pressen gezielt eine Verbesserung der Qualität erzielt werden soll, sollte die Tem-

perierung als Parameter wieder in Betracht gezogen werden. Hier kann sie sich

positiv auswirken.

Was den Parameter „Masseauftrag der Presse“ betrifft, so wurden mit drei Tonnen

schlechtere Ergebnisse erzielt als mit zehn Tonnen. Zehn Tonnen seien als Richt-

wert empfohlen (entspricht hier 7 bar Druck). Es ist zu beachten, dass bei höheren

Drücken die Matrix im viskosen Zustand herausgedrückt werden kann. Bei hoher

Halbzeugqualität können allerdings geringere Drücke gerechtfertigt sein. Wenn die

7 Diskussion 72

Funktion der Presse auf das Drapieren auf eine Form als auf das eigentliche Pres-

sen reduziert wird, ist der Druck zu minimieren.

Beim Thermoformen des Hutprofils, als universelles und klassisches Versteifungs-

profil, haben sich stark gekrümmte Formen als kritisch herausgestellt. Für eine

Crashbelastung sind diese Bereiche die Schwachstellen, an der das Bauteil bre-

chen würde. Dies verdeutlicht auch die Bedeutung einer anzustrebenden, möglichst

gleichförmigen Form und Struktur. Hier besteht Optimierungspotential. Es müssen

Keileffekte, verursacht durch starke Krümmungen, entschärft werden. Ein Ansatz

kann eine geometrisch und lokal angepasste Silikonmattendicke sein. Eine Silikon-

matte mit geringerer Dicke an verengten Bereichen mag einen positiven Effekt ha-

ben. Dies soll als Anregung für weiterführende Untersuchungen gelten.

Die besten Parameter die für das Thermoformen im Rahmen dieser Arbeit ermittelt

werden konnten, und die als Richtwert für weiterzuführende Untersuchungen gelten

können, sind in Tabelle 12 zusammengefasst.

Tabelle 12: Zusammenfassung der ermittelten, optimalen Parameter

TPresse [°C] M [t] Aufheizen bis [°C] Sonstiges RT 10 <250 Silikonmatte auf Werkzeugpaar

8 Zusammenfassung 73

8 Zusammenfassung

Eingangs wurde das Thema und ihr weiterer Kontext, die Problematik der CFK-An-

wendung in der heutigen Automobilindustrie, vorgestellt. Es wurde gezeigt, dass

automobile Strukturbauteile aus CFK bisher ausschließlich mit duroplastischer Ma-

trix angewendet werden. Es wurden die wesentlichen Gründe dargelegt, weshalb

CFK mit thermoplastischen Matrices großes Potential zur Bewältigung der beste-

henden Probleme zugesprochen wird. Diese betreffen Aspekte der Produktion, der

Crashabsorptionsleistung, der Umweltverträglichkeit und der Kosten. In diesem Zu-

sammenhang wurde das Thermoformen als eine Fertigungsmethode dargestellt,

die sich für FKV mit thermoplastischen Matrices eignet und mit der die Zykluszeiten

in der Automobilindustrie deutlich gesenkt werden können.

Nach dem Vorstellen des Ablaufs der Arbeit und der verwendeten Technik, wurden

die wesentlichen und relevanten Grundlagen erörtert. Der Stand der Technik wurde

innerhalb dieses Abschnittes auch durch eine Vielzahl an Verweisen aus der exi-

stierenden Literatur deutlich. Anschließend wurden Halbzeugkonzepte untersucht.

Um den Zusammenhang der Out-Of-Autoclave-Prozessdynamik mit dem Struktur-

profil des vorliegenden Prepregs zu erkennen, wurde dieses in seiner Rohfassung

analysiert. Unterschiede zwischen Rand und Mitte des Prepregs bestanden nicht.

Lufteinschlüsse, so wurde festgestellt, waren zahlreich vorhanden. Sie sammelten

sich fast ausschließlich innerhalb der Faserbündel und peripher zu ihnen (also an

ihren Aussengrenzen). Die gewellten Oberflächen wurden nicht als problematisch

eingestuft was sich angesichts der später erzielten Organoblechqualität bestätigte.

Es stellte sich heraus, dass das unkonsolidierte Lagenpaket sich nicht als Halbzeug

eignet, da ein unzulässig großer Temperaturgradient von den äußeren zu den mit-

tigen Schichten bestand. Ein Organoblech mit konsolidierten Schichten war der al-

ternative Ansatz der fortan verfolgt wurde. Der Nachweis eines weitaus geringeren

Temperaturgradienten hierfür wurde erbracht. Für die Konsolidierung wurden dann

zwei OOA-Prozesse und ein Autoklav-Prozess mit unterschiedlichen Maximaltem-

peraturen verwendet. Es stellte sich heraus, dass unter den OOA-Prozessen jener

mit 28°C höherer Maximaltemperatur ein in allen Belangen viel besseres und her-

vorragendes Ergebnis bewirkte. Mit diesem Prozess konnte eine Qualität erreicht

werden, die zu jener die aus dem Autoklaven-Prozess erhalten wurde nahezu eben-

bürtig ist.

8 Zusammenfassung 74

Da das Thermoformen ein komplexer Prozess mit einer Vielzahl an Parametern ist,

wurde zunächst ein flaches Werkzeug verwendet. Durch diesen hohen Abstrakti-

onsgrad sollte sich der Thematik genähert werden um Parameter und Anlage auf

die auftretenden Effekte einzustellen. Es wurden zahllose Versuche durchgeführt,

von denen, aus Gründen des Umfangs, nur die Vertreter der wesentlichen Entwick-

lungsstufen in diese Arbeit Eingang fanden. Wie gezeigt wurde, resultierten aus den

ersten Versuchen hochgradig verzerrte Teilen, die unmittelbar verworfen werden

mussten. Am Ende des zweidimensionalen Thermoformens hingegen, und nach

vielen Anpassungen, konnte eine sehr hohe Güte erhalten werden.

Es galt anschließend zu untersuchen, wie sich das Thermoformen auf die Halb-

zeuge auswirkt. Hierfür wurden die Befunde von Organoblech und thermogeformten

Teil gegenübergestellt und vergleichend analysiert. Es wurde in diesem Zusammen-

hang auch die These aufgestellt, ob sich das Thermoformen positiv auf relativ min-

derwertige Halbzeuge, also jene die keine vollständige Evakuierung erfahren hat-

ten, auswirken könne. Dies konnte bestätigt werden. Unter Berücksichtigung der

Anlagenanpassungen und Parametereinstellungen aus den vorigen Kapiteln wurde

die Qualität durch das Thermoformen in keinem der anderen Fälle in erwähnens-

werter Weise reduziert.

Mit dem Wechsel zum Hutprofil-Werkzeug wurde dieses zunächst vorgestellt. Hier-

mit erfolgten zwei Versuche von denen das zweite Hutteil ausgiebig geprüft wurde.

Es wurde in diesem Kontext die Herausforderung deutlich, die mit dem Wechsel zu

einem dreidimensionalen Werkzeug einhergeht. Es traten Effekte auf, die beim

Thermoformen mit flachem Werkzeug nicht auftraten bzw. geometrisch bedingt

nicht auftreten konnten. Neben Mängeln im Bereich von scharfkantigen Krümmun-

gen war die sonstige Qualität auf einem insgesamt guten und hohen Niveau.

9 Ausblick 75

9 Ausblick

Die Anzahl an Prozessparametern ist sehr groß, weshalb nicht alle Parameter, ihre

Auswirkungen und ihre Koppeleffekte erschöpfend untersucht werden konnten.

Weiterführende Untersuchungen sollten dies in dem Fokus behalten. Empfohlen

wird als nächsten Schritt, die Zugkraft des Halbzeugträgers zu reduzieren. Ferner

ist es vielversprechend, die Presse nicht druck- sondern verschiebungsgesteuert zu

betreiben. Für eine einheitlich komprimierte Dicke des Halbzeugs, die das anzustre-

bende Ziel ist, kann dies das geeignete Mittel sein. Steifigkeit und Elastizitätsver-

halten der Silikonmatten sind zu untersuchen und geeignet auszuwählen bzw. ein-

zustellen.

Abweichungen in Bereichen starker Krümmungen offenbarten Schwächen für die

Nachbesserungen erforderlich sind. Ein Ansatz zur Verbesserung der Ergebnisse

bei komplexen Werkzeuggeometrien besteht darin, dass die Funktion der Presse

auf das Drapieren reduziert und nur ein geringfügiger Druckauftrag appliziert wird.

Ein anderer Ansatz ist, dass Silikonschichten mit lokal angepasster Dicke verwen-

det werden. Hiermit sollen geometrisch bedingte Effekte lokal ausgeglichen werden.

In beiden Fällen ist es notwendig, dass zuvor optimale Parameter für die restlichen

Einflussgrößen gefunden und dementsprechend eingestellt wurden.

Rheologische Effekte werden in der Literatur als eine der kritischsten Einflussgrö-

ßen für das Thermoformen, das ein reibungsbehafteter Prozess ist, genannt. Es ist

das Ziel, auftretende Reibung zu minimieren und Systeme derart zu gestalten, dass

ihr Auftreten auf dem Halbzeug möglichst gleichförmig stattfindet.

Es ist ein OOA-Prozess mit höherer Maximaltemperatur (Empfehlung des Autors:

271°C) durchzuführen und zu überprüfen, ob dies abermals einen positiven Effekt

auf die Organoblechqualität hat. Die Frage, ob hierdurch letztlich uneingeschränkt

ebenbürtige Qualität gegenüber dem Autoklaven erreicht werden kann, soll damit

beantwortet werden.

Schließlich können den thermogeformten Hutprofilen Crashtests unterzogen wer-

den. Gegebenenfalls stabilisiert man zuvor den Prozess um optimierte Hutprofile

thermozuformen. Für die Crashtests können die Hutprofile mit ihren Flanken auf

eine flache Ebene geklebt werden. Der Klebstoff soll dabei derselbe sein wie er für

9 Ausblick 76

die Fügeverbindung der Komponenten der B-Säule angedacht ist. Dieses Konstrukt

wird sodann eingespannt und derart ausgerichtet, dass die Flanken waagrecht zum

Boden sind und die Stirnfläche nach oben zeigt. Eine (elastische oder inelastische)

Kugel kann dann aus geeigneter Höhe herabgeworfen werden, was den Aufprall

simuliert. Die kinetische Energie sollte von dem Crashtest an einem Auto entspre-

chend herunterskaliert sein. Die Ergebnisse hiervon können mit skalierten Erwar-

tungswerten von Crashtests einer B-Säule verglichen werden.

Literaturverzeichnis 77

Literaturverzeichnis

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Anhang A A-1

A Technische Informationen

A.1 Datenblatt Tencate Cetex 910

Anhang A A-2

A.2 Technische Daten

Tabelle 13: Modelldaten der verwendeten Geräte

Presse Wabash 150-2525-2TRMX

IR-Heizkörper Solar Products 16x18 3 phase 208V F-series

OOA-Öfen Blue-M DCSA-366-E-ST350; Wisconsin SWH-8108-E

DAQ National Instruments NI cDAQ-9178

Verwendete Temperaturfühler zum Messen des Temperaturgradienten im Lagenpaket

Omega Part# GG-K-36-SLE Omega Lot# TCCH10194P

Tabelle 14: Maß der Werkzeugoberflächen

Flaches Werkzeug 198 in2

Hutprofil-Werkzeug 202 in2

Abbildung 64: Maße des Hutprofil-Werkzeugs [mm]

Anhang B B-3

B Zusätzliche Bilder

Abbildung 65: Halbzeugträger

Abbildung 66: Lagenpakete unter dem Autoklaven-Vakuumsack

Anhang B B-4

Abbildung 67: Entnommene Proben des Prepregs zur Anfertigung von Schliffbildern

Abbildung 68: Prepreg-Schliffbild (1)



Anhang B B-5

Abbildung 71: Prepreg-Schliffbild Nahaufnahme

Abbildung 72: Schliffbild Organoblech OOA 222°C (1)

Anhang B B-6



Anhang C C-7

C Überblick aller Versuche

Tabelle 15: Versuchsübersicht flächiges Thermoformen

Schicht-aufbau Prozess TIR [°C] Tpresse [°C] M [t] Aufheizen bis Sonstiges

[0]6 OOA 400 - 260°C unkonsolidiert, 3 Tempera-turfühler innen

[0]6 OOA 400 - Abgebrochen

unkonsolidiert, punktuell am Rahmen befestigt, 1 Tempe-raturfühler innen

[0]6 OOA 400 - - 260°C unkonsolidiert

[0]16 OOA 400 - - 230°C Funktionstest der Tempera-turfühler

[0]6 OOA 500 100 10 230°C 3 Temperaturfühler innen

[0]6 OOA 450 100 10 260°C -

[0]6 OOA 400 100 10 260°C 3 Temperaturfühler innen

[0]6 OOA 450 100 10 260°C -

[0]6 OOA 400 100 10 45s -

[0]6 OOA 400 100 150 45s -

[0]6 OOA 400 100 10 260°C 3 Temperaturfühler innen, Silikonmatte auf Werkzeug

[0]6 OOA 400 100 10 45s Silikonmatte auf Werkzeug

[0]6 OOA 400 100 3 45s Silikonmatte auf Werkzeug

[0/90]2s OOA 400 100 3 60s 40 mil Abstandsplättchen



[0/90]2s OOA 400 RT 10 60s Silikonmatte auf Werkzeug

[0]6 OOA 400 RT 10 45s Silikonmatte auf Werkzeug

[0]6 OOA 400 RT 10 45s

150 mil Abstandsplättchen an silikonfreien Ecken, Sili-konmatte auf Werkzeug

[0]16 OOA 400 RT 10 270°C 3 Temperaturfühler innen, Silikonmatte auf Werkzeug

[0]32 OOA 400 RT 10 220°C 3 Temperaturfühler innen, Silikonmatte auf Werkzeug

[0/90]2s Autoklav 400 RT 10 60s Silikonmatte auf Werkzeug

[0]6 Autoklav 400 RT 10 45s Silikonmatte auf Werkzeug

[0/90]2s OOA 400 RT 10 260°C unkonsolidiert

Anhang C C-8

Tabelle 16: Versuchsübersicht Thermoformen mit Hutprofil-Werkzeug

Schichtaufbau Prozess TIR

[°C] Tpresse

[°C] M [t] Aufheizen bis Sonstiges

[0/90]2s OOA 400 RT 10 60s 240 mil Silikonschicht

[0/90/0/90/0]s OOA 400 RT 10 75s 240 mil Silikonschicht

[+/-45]2s OOA 400 RT 10 60s

minderwertiges Orga-noblech, 130 mil Silikon-schicht

[+/-45]2s OOA 400 RT 10 67s 130 mil Silikonschicht

[0/0/45/-45/45/-45/45/-45/45/-45] OOA 400 RT 10 67s

0°-Schichten lose angefügt, 130 mil Silikonschicht




[+/-45]4s OOA 400 RT 10 135s 300 mil Abstandsplättchen, 220 mil Silikonschicht

[+/-45]4s OOA 400 RT 10 120s 300 mil Abstandsplättchen, 220 mil Silikonschicht

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Masterarbeit - Jonas Dossmann · Masterarbeit II Kurzreferat Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit BMW, der NHTSA und anderen Part-nern am Center for Composite Materials der