Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology

Transcrição

Wissenschaftlicher
Arbeitskreis der
UniversitätsProfessoren der
Kunststofftechnik
Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern.
Zeitschrift Kunststofftechnik
Journal of Plastics Technology
© 2009 Carl Hanser Verlag, München
www.kunststofftech.com
archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK)
archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Polymer Technology
www.kunststofftech.com; www.plasticseng.com
eingereicht/handed in:
angenommen/accepted:
22.09.2008
02.04.2009
Dipl.-Ing. Uwe Beier, Dr. Jan K.W. Sandler, Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt
Polymer Engineering, University of Bayreuth, Germany
Dr.-Ing. Gerrit Hülder, Prof. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg
Lehrstuhl für Kunststofftechnik, University of Erlangen-Nürnberg, Germany
Dipl.-Ing. Hermann Spanner, Dr.-Ing. Christian Weimer, Dipl.-Ing. Tim Roser,
Dipl.-Ing. Wolfgang Buchs
Eurocopter Deutschland GmbH, Munich, Germany
Dipl.-Ing. Ulf Hassler
Fraunhofer Gesellschaft Entwicklungszentrum Röntgentechnik, Fürth, Germany
Kosteneffiziente Preformprozesskette für
komplexe Hochleistungs-FaserverbundStrukturbauteile
In diesem Beitrag wird ein innovativer Preformingprozess zur kostenreduzierten Herstellung von
Hochleistungsfaserverbundbauteilen im RTM-Verfahren vorgestellt. Kernpunkt des neuen Ansatzes
bildet die textile Nähtechnologie, gekoppelt an thermisch induzierte Preformstabilisierungsmethoden.
Dabei werden Wege und Methoden aufgezeigt, entsprechend angepasste Preform- und Designkonzepte zu realisieren, optimierte Qualitätssicherungsmethoden effizient einzusetzen und exzellente
mechanische Eigenschaften derartig hergestellter Strukturen zu gewährleisten.
Cost-efficient preforming process for complex
high-performance fibre-reinforced composites
In this study a preforming process for a cost-efficient manufacturing of high-performance fibrereinforced polymer composites is presented. The key approaches towards achieving this challenging
goal are modern stitching technologies combined with thermally induced preform stabilisation. To
proof an industrial implication not only excellent mechanical properties of the final product but also
appropriate preforming and design concepts as well as adjusted quality assurance methods are
demonstrated.
© Carl Hanser Verlag
Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 5 (2009) 4
Beier
Flexible Preformprozesskette für CFK
Kosteneffiziente Prefomprozesskette für
komplexe Hochleitungs-FaserverbundStrukturbauteile
U. Beier, J. K.W. Sandler, V.Altstädt, G. Hülder, E. Schmachtenberg,
H. Spanner, C. Weimer, T. Roser, W. Buchs, U. Hassler
1.
EINLEITUNG
Bis zum Jahre 2026 wird die Zahl der jährlich produzieren Verkehrsflugzeuge
auf etwa 1200 ansteigen [1]. Darüber hinaus wird der Anteil der
Faserverbundbauteile in Flugzeugstrukturen zukünftig weiter wachsen. Ein
Ansatz, diese enorme Nachfrage zu bedienen, sind moderne automatisierte
Nähtechnologien zur Herstellung von Preformen, die nachfolgend in LCMProzessen, wie zum Beispiel im RTM-Verfahren, mit Harz getränkt und
schließlich ausgehärtet werden. Der Automatisierungsgrad des RTM-Prozesses
ist heute schon weit fortgeschritten. Im Gegensatz dazu ist der Anteil manueller
Arbeit zur Herstellung geeigneter komplexer Preformen in der herkömmlichen
Binder-Preform-Technik enorm und die Serienfertigung von nähtechnikbasierten Preforming-Methoden derzeit noch auf einfache Strukturen
beschränkt.
Um den Erfolg dieser innovativen Textilen-Preformingtechnologien in der
industriellen Praxis zu gewährleisten, müssen neben der Möglichkeit, komplexe
Preformen kostengünstig fertigen zu können, auch entsprechend angepasste
Preform- und Designkonzepte zur Verfügung stehen. Darüber hinaus sind
hinreichende Qualitätssicherungsmethoden der Preformen, genauso wie exzellente mechanische Eigenschaften derartig hergestellter Strukturen, für eine
effiziente Umsetzung unerlässlich.
Um diese Ziele zu erreichen, wurde 2005 das von der Bayerischen
Forschungsstiftung (BFS) geförderte FLEXNAHT Strukturen-Programm ins
Leben gerufen, innerhalb dessen sich die einzelnen Partner (Eurocopter
Deutschland GmbH, Fischer & Entwicklungen GmbH&CoKG, Aerostruktur
Faserverbundtechnik GmbH, Frauenhofer-Gesellschaft Institut für integrierte
Schaltungen, Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe Universität Bayreuth und der
Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Nürnberg-Erlangen) mit den
unterschiedlichen Problemstellungen des Projekts befassten.
Zeitschrift Kunststofftechnik 5 (2009) 4
279
Beier
2.
Kosteneffiziente Preformprozesskette für CFK-Strukturen
STAND DER TECHNIK
Hochleistungsfaserverbundstrukturen
werden
trotz
hoher
Material-,
Materiallagerungs- und Fertigungskosten derzeit immer noch größten Teils in
Autoklav-Prepreg - Bauweise hergestellt. Die hohen Fertigungskosten beruhen
unter anderem auf Schwierigkeiten, Prepregs automatisiert in komplexe
Geometrien zu überführen. Lösungsansätze mittels „Automated Tape Laying“
(ATL) eigenen sich dabei nur für große, schwach gekrümmte Bauteile [2].
Eine Möglichkeit, sowohl die Materialkosten als auch die Fertigungskosten zu
senken, bieten LCM-Prozesse. Bei der vollen Ausschöpfung des Kosteneinsparpotentials spielen automatische Preformprozesse eine zentrale Rolle [3].
Standard - Binder-Umformtechniken bieten derzeit nicht die Möglichkeit einer
ausreichenden Automatisierung, weshalb zahlreiche direkte (3D-Weben,
Flechten, Stricken, Tailored Fibre Placment - TFP, Fibre Patch Placement FPP) und sequenzielle Methoden (Binder-Umform, Näh-Technologien - Cut and
Sew) [4] entwickelt und diskutiert werden.
Die verfahrensspezifischen Gegebenheiten der genannten Lösungskonzepte
determinieren dabei die Einsatzgrenzen für mögliche Anwendungen. So sind
als Vorteil des TFP vor allem die anpassungsfähige und lastgerechte
Faseranordnung zu nennen. Allerdings sind für große Preformen lange
Fertigungszeiten zu erwarten [4-6]. Ähnliches gilt für die FPP-Technologie,
deren Freiheitsgrade beim Fertigen von beispielsweise Spanten oder Stringern
nicht voll ausgeschöpft werden [2,5]. Im Gegensatz dazu weisen 3D-Weben
und Flechten zwar hohe Produktivitäten auf, sind aber in der Faseranordung
und der Dimension größeren Restriktionen unterworfen [4,7,8]. Die Stricktechnik bietet die Möglichkeit, nachbearbeitungsfreie komplexe Preformen
darzustellen, allerdings sind die mechanischen Eigenschaften im Verbund nicht
optimal [4]. Auch mit der Nähtechnik lassen sich endkonturgenaue,
hochintegrierte Preformen herstellen. Eine Herausforderung bei dieser Technik
ist zum einen die Handhabung der biegeschlaffen Einzelteile sowie der Erhalt
der mechanischen Kennwerte [3,4,7,9]. Die Nähtechnik könnte eine Möglichkeit
sein, die unterschiedlichen Verfahren in einem modularen Prozess zusammen
zu führen und dadurch ein optimiertes Gesamtergebnis zu erzielen [9].
280
Beier
3.
3.1
EXPERIMENTELLES
Materialien
Als Faserhalbzeug für alle Laminate kam ein kommerziell erhältliches
Kohlefaser- (Tenax HTS 12k) Multiaxialgelege (MAG) der Firma Saertex mit
einem Flächengewicht von ca. 250 g/m² pro Biaxiallage zum Einsatz. Diese
Gelege wurden mit einem schlichtefreien Polyestergarn (Serafil 200/2),
bestehend aus zwei miteinander verzwirnten 53 dtex Garnen (hergestellt von
Amann; Deutschland), mit einem Polyamidgarn (Grilon K 140, EMS-Griltech;
Schweiz), bestehend aus drei miteinander verzwirnten 23 dtex Garnen
(verzwirnt von Fa. Walker; Deutschland) und einem Garn aus Polyhydroxyether
(fortan als Phenoxygarn bezeichnet) (Grilon MS150) mit einer linearen Dichte
von 150 dtex vernäht. Des Weiteren wurde ein Polyamid Bindervlies (PA1541,
Spunfab, Hänsel GmbH; Deutschland) mit einem Flächengewicht von etwa 12
g/m2 eingesetzt. Zur Infiltration wurde das Epoxidharz HEXFLOW RTM6
verwendet. Zur Herstellung eines Demonstratorbauteils wurde ferner
ROHACELL Schaummaterial verwendet.
3.2
Preforming
Die Preformen für die Coupon-Tests wurden mit einem +45° (Zug, Druck,
ILSS) bzw. +22.5° (CAI) orientierten, modifizierten Doppelsteppstich vernäht.
Der Nahtabstand betrug für alle Laminate 20 mm (Ausgenommen Zugermüdung; 50 mm), die Stichweite wurde auf 3 mm festgelegt. Der Lagenaufbau für die Zug-, Druck- und ILSS- Laminate war [(0/90)]4s bzw. [(+45/45)/(90/0)]4s für die CAI-Laminate. Die mit Bindervlies ausgestatteten Preformen
weisen identische Nähparameter auf, allerdings wurden die Stapelfolgen
zwischen jeder zweiten Biaxiallage mit einer Vlieslage ergänzt.
Für die Lochleibungstests wurde ein quasi-isotropes Laminat [(0/90)/(+45/-45)]4s
gewählt. Auch hier kam ein modifizierter Doppelsteppstich mit 3 mm Stichweite
zur Anwendung. Die Vernähung erfolgte sowohl in der vorgesehen
Belastungsrichtung als auch quer dazu mit einem Polyamid Nähfaden (Grilon
K140, 2x75 dtex). Als Referenzmaterial wurden zusätzlich Probekörper aus im
Flugzeugbau gebräuchlichem Gewebe der Fa. Hexcel und RTM6 hergestellt.
Die Prozesskette zur Fertigung komplexer Preformen zur Herstellung des
Demonstratorbauteils ist in mehrere Schritte unterteilt. Zunächst werden die
Gelege automatisch in der gewünschten Anzahl und Orientierung abgelegt und
in das 2D-CNC-Nähportal gefahren. Dort findet eine Fixierung der Lagenaufbauten durch Nähen statt. Danach werden die geforderten Geometrien im
CNC-Cutter herausgeschnitten. Die Weiterverarbeitung der dadurch erhaltenen,
so genannten „Tailored Reinforcements“ (TR) geschieht in den nachfolgenden
2,5D- und 3D-Umform- bzw. Nähprozessen. Dabei werden die TRs zunächst in
geeigneten Werkzeugen umgeformt. Die nachfolgende Fixierung der Preformen
281
Beier
wird dann mittels Nähtechnik und/oder durch die thermische Aktivierung
(Schmelzkleben) der niedrig schmelzenden Thermoplastnähfäden bzw. der
eingenähten Thermoplastvliese erzielt.
Die Schlüsselelemente der textilen Preformprozesskette werden schematisch in
Abbildung 1 gezeigt: 2D-CNC Nähportal, 2.5D- und 3D-Nähprozesse sowie das
preformstabilisierende Schmelzkleben (Thermobonding).
Abb. 1:
Automatisierte Preformprozesskette
3.3 Injektion und Aushärtung
Alle Laminate für die Coupon-Tests wurden im Vakuum unterstützen ResinTransfer-Moulding (VARTM) Prozess hergestellt. Die Injektionstemperatur
betrug 120°C, die nachfolgende Aushärtetemperatur 180°C, die Aushärtezeit
120 Minuten. Zur Injektion und Aushärtung des Demonstratorbauteiles wurden
die Parameter des Serien RTM-Prozesses herangezogen.
3.4 Charakterisierung
Zur Qualitätssicherung der trockenen Preformen vor der Infiltration wurden
sowohl optische als auch röntgenbasierte Methoden untersucht. Zur Erkennung
von Fremdkörpern oder Inhomogenitäten wurde die Radioskopie evaluiert. Die
282
Beier
Radioskopie ist eine einfache Projektionstechnik ohne Tiefenauflösung. Je nach
Typ des Detektors kann zwischen einem scannenden Zeilensensor oder einem
statischen Flächensensor unterschieden werden.
Zur Beurteilung der Decklageneigenschaften wurden herkömmliche optische
Bilderfassungsmethoden untersucht.
Als Methode zur Bestimmung der Lagenorientierung sowie der Lagenfolge
wurde die digitale Tomosynthese evaluiert. Die digitale Tomosynthese
ermöglicht eine tiefenaufgelöste Rekonstruktion von flächig ausgeprägten
Prüfteilen [10]. Eine weitere dreidimensional bildgebende Röntgentechnik, die
axiale Computertomographie, wurde zur Untersuchung des lokalen
Fasergehaltes an kleineren Proben herangezogen [11].
Die mechanischen Kennwerte wurden in standardisierten Coupon-Tests
ermittelt. Die Druckversuche wurden nach DIN EN 2850 (Celanese)
durchgeführt. Die Breite der Proben beträgt 15 mm, die freie Einspannlänge 10
mm. Die Zugversuche wurden nach ASTM D3039 mit einer Probenbreite von
25 mm und einer freien Einspannlänge von 130 mm durchgeführt. Die
dazugehörigen Zugermüdungsversuche wurden mit der gleichen Probengeometrie, einem sinusförmigem Lastwechsel mit einer Frequenz von 5 Hz und
einem konstanten Lastverhältnis von 0,1 nach ASTM D3479 durchgeführt. Die
ILSS Tests wurden nach DIN EN 2563 durchgeführt. Die CAI-Versuche wurden
nach AITM 1.0010 durchgeführt. Die Energie des sphärischen Fallbolzens mit 3
kg Masse wurde auf 25 J festgelegt.
Die Lochleibungsversuche wurden am Lehrstuhl für Kunststofftechnik entsprechend der Prüfnorm AITM 1-0009 durchgeführt. Da die höchste Belastung
des Laminats im Bereich des Scheitelpunktes der Bohrung zu finden ist, wurden
die Bohrungen am Probekörper so positioniert, dass ein definierter Abstand von
1 mm zum ersten bohrungsnahen Nahtstich eingehalten wird. Die Naht wurde
entweder parallel zur Belastungsrichtung durch den Mittelpunkt des Bohrloches
oder senkrecht zur Belastungsrichtung positioniert. Abbildung 2 zeigt die
äußeren Abmessungen der Probekörper und die Lage der Naht.
Abb. 2:
Abmessungen der hergestellten Lochleibungsprobekörper
nach AITM 1-0009
283
Beier
Am Demonstratorbauteil (Tragarm) wurden mechanische Tests analog einer im
Flugzeugbau üblichen Qualifikation durchgeführt. Dabei wurden drei Lastfälle
vor und nach einem Impact von 50 J an einer der Befestigungslaschen des
Tragarms zur Evaluierung herangezogen.
4.
ERGEBNISSE
4.1
Preform Qualitätssicherung
Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit der gewählten Qualitätssicherungsmethoden wurden verschiedene Fehlerarten wie falsche Nahtpositionen, unterbrochene Nähte, falsche Fadenspannungen, abweichende
Stichweiten, falsche Stapelfolgen, Garnansammlungen und Verunreinigungen
mit verschiedenen Materialien wie zum Beispiel Papier, Kunststoff, Metall und
Fasern in Testpreformen eingebracht.
Mittels Radioskopie kann die Lage der Kontaminationen nachgewiesen werden
(Abb. 3). Allerdings werden nur Polyester- und Polyamidgarn-Ansammlungen
detektiert, nicht aber die Preformnähte an sich, da der Unterschied im
Absorptionsverhalten zwischen Faser und Garn nur gering ist. Allerdings
können Nähte und Stichmuster aufgrund der Einstichlöcher in der Preform
mittels Radioskopie indirekt nachgewiesen werden. Voraussetzung dafür ist
jedoch eine systemabhängige Mindestgröße der Einstichlöcher. Im Umkehrschluss lässt dieser Umstand auch eine gewisse Aussage über die beim Nähen
applizierte Fadenkraft zu. Die Radioskopie könnte sich für eine in-line
Anwendung zur Detektion von Fremdkörpern eignen. Zur Detektion von
Nähfehlern ist sie nur bedingt einsetzbar.
Abb. 3:
Kontaminierte Testpreform (links) und
zugehörige Röntgenaufnahme (rechts)
284
Beier
Zur Bestimmung von Faser- und Nahtorientierungen genauso wie zum
Erkennen abweichender Nähparameter eignet sich das optische Preform-TestSystem. Allerdings kann damit verfahrensbedingt nur die Decklage
charakterisiert werden. Abbildung 4 (links) zeigt das Ergebnis eines solchen
optischen Scans. Die blau gefärbten Gebiete zeigen die Lücken zwischen den
Rovings, die durch die Stichlöcher/Nähgarne entstanden sind. Mit Hilfe dieser
Lücken kann die Faserorientierung der obersten Lage bestimmt werden.
Um Faserorientierungen im Innern der mehrlagigen MAGs zu visualisieren, sind
wiederum röntgenbasierte Methoden notwendig. Mit Hilfe der Tomosynthese
können die Lücken zwischen den Rovings im Innern der Preformen, die
Orientierung und Position jeder Einzellage errechnet werden [10]. Die
Radioskopie einer vernähten Probe und der mittels Tomosynthese berechnete
Orientierungs-Positions-Graph sind in Abbildung 4 (rechts) dargestellt.
Abb. 4:
Optische Aufnahme einer vernähten Preform (links) und
Ergebnisse der Tomosynthese: Orientierungs-Positions-Graph
(rechts)
4.2
Coupon-Tests
Im Rahmen des FLEXNAHT Strukturen-Programms wurde eine Vielzahl
unterschiedlicher Nähgarne und Nähgarnstärken untersucht. Die im Folgenden
dargestellten mechanischen Kennwerte repräsentieren die hinsichtlich Garnstärke und Material optimierten Garne [12,13]. Anhand des PolyamidBindervlieses wurde der binderunterstützte Thermobonding-Prozess bewertet.
Auch die Kennwerte dieser Laminate sind als Ergebnisse mit aufgeführt.
In Abbildung 5 sind Schliffbilder der drei optimierten Garne dargestellt. Deutlich
in Bild (A) sichtbar ist das nicht geschmolzene Polyestergarn. Bild (B) zeigt den
während des Herstellungsprozesses aufgeschmolzenen Polyamidfaden, der
285
Beier
aufgrund seiner Unlöslichkeit im Harz agglomeriert vorliegt. Im Falle des
matrixlöslichen Phenoxygarnes kann im Schliffbild keine getrennte Phase mehr
identifiziert werden. Vergleicht man die entstandenen Ondulationen an den
Stichlöchern genauer, so fällt auf, dass, obwohl alle Garne eine unterschiedliche Garnstärke aufweisen, vergleichbare Auslenkungen der Verstärkungsfasern verursacht werden. Dies weist auf vorteilhafte Eigenschaften des
vergleichsweise dicken Phenoxygarns hinsichtlich Ondulation hin.
Abb 5:
Lichtmikroskopische Schliffbilder von Laminaten vernäht
Polyestergarn (A), Polyamidgarn (B) sowie Phenoxygarn (C).
mit
Die geringe Faserondulation bietet eine Erklärung für die sehr guten
Druckfestigkeitskennwerte des Laminates mit Phenoxygarn-Vernähung (Bild 6).
Dieses Ergebnis kann zudem durch die fehlende makroskopische dritte
(weichen) Phase erklärt werden, die sich in der Regel negativ auf die
Druckfestigkeit auswirkt [14]. Diese dritte Phase existiert sowohl bei der
Polyamid vernähten Probe als auch in der zusätzlich mit Bindervlies
ausgestatteten Probe. Trotzdem weisen diese Laminate ein hohes
Druckeigenschaftsniveau auf. Der E-Modul war bei keinem Laminat signifikant
beeinflusst.
286
Abb. 6:
Druckfestigkeit der untersuchten Laminate
Die Gegenüberstellung der ILSS-Werte in Abbildung 7 zeigt ein generell
unkritisches Verhalten hinsichtlich Vernähungen, so dass entgegen der
Ergebnisse des Druckversuches auch der Polyesterfaden einem Vergleich mit
der unvernähten Referenzprobe standhält. Etwas geringere Scherfestigkeiten
hingegen werden von den mit Polyamid-Bindervliesen ausgestatteten Laminaten erzielt. Möglicherweise wirkt sich hier die makroskopische Polyamidschicht negativ aus.
Beier
Abb. 7:
Scheinbare Scherfestigkeit der untersuchten Laminate
287
Beier
Abb. 8:
Restdruckfestigkeit nach Impact (25 J) der untersuchten Laminate
Die in Abbildung 8 dargestellten Restdruckfestigkeiten nach einem 25 J Impact
(CAI) zeigen vor allem für die mit Polyestergarn vernähten Laminate erhöhte
Festigkeiten. Die nicht signifikante Verbesserung der Phenoxy-vernähten
Laminate kann auf den nur sehr geringen Gehalt an Phenoxymaterial bezogen
auf das Gesamtlaminat zurückgeführt werden. Die bekannte zähmodifizierende
Wirkung des Phenoxys [13] bleibt daher aus. Auch die Bindervlies-modifizierten
Laminate konnten keine Verbesserung der Restdruckfestigkeit hervorrufen. Ein
Grund für dieses Verhalten könnte der gewählte Lagenaufbau sein, der Risse
zwischen den nicht bebinderten Lagen ungehindert voranschreiten lässt. Eine
alternative Ursache könnte eine generell unzureichende Anbindung des
Polyamids an die Matrix und / oder an die Fasern sein.
Zusätzlich zu den bereits genannten mechanischen Evaluierungen wurden
statische und dynamische Zugversuche durchgeführt. Sowohl aus den
statischen Zugfestigkeiten als auch aus den zugehörigen Zugmoduln konnten
nur minimale Einflüsse der unterschiedlichen Materialien abgeleitet werden. Die
dynamischen Versuche bestätigen die hervorragenden Eigenschaften der mit
Phenoxygarn vernähten Laminate.
Ferner wurden zur Auslegung von Bolzenverbindungen zusätzlich Lochleibungstests durchgeführt. Beim untersuchten Material sind bei unverspannter
Verbindung kaum Einflüsse durch die Vernähung durch den Polyamid 2*75 dtex
Faden zu erkennen (Abb. 9). Die mittleren Versagenslasten liegen bei der
unvernähten Referenz mit im Mittel 544 N/mm² etwa auf dem Niveau des
Gewebelaminates. Längsvernähte Proben weisen um 4 % geringfügig reduzierte Lasten (522 N/mm²) zu Schädigungsbeginn auf.
288
Beier
Abb. 9:
Auswertung charakteristischer Punkte nach AITM 1-0009
Material: Hexcel G939 + RTM6 und Saertex ECS 6090;
unverspannte Verbindung
Mikroskopische Untersuchungen an unterschiedlich belasteten Probekörpern
legen dabei nahe, dass dieser Abfall auf einen im Bereich des druckbelasteten
Bohrungsscheitelpunktes lokal reduzierten Faservolumengehalt in den vornehmlich lasttragenden 0°-Lagen zurückzuführen ist.
Nach dem Überschreiten des ersten Lastmaximums, das mit dem Auftreten
erster größerer irreversibler Schädigungen des Laminates einhergeht, kommt
es zu einer kontinuierlichen Schädigung des Laminats. Das Versagen in diesem
Bereich ist dabei durch ein sukzessives Ausknicken lasttragender Einzelschichten gekennzeichnet. Dieses Versagensverhalten ist bei allen Probekörpern ähnlich, so dass von einem näh-unabhängigen Bruchverhalten
auszugehen ist.
4.3
Demonstrator
Zur aussagekräftigen Evaluierung einer neuen Preformprozesskette ist
zunächst ein geeignetes Demonstratorbauteil notwendig. Aufgrund seiner
komplexen 3-dimensionalen Struktur und der benötigten hohen Stückzahl dient
dazu ein bereits in der Serie in herkömmlicher Bindertechnologie gefertigter
Tragarm – ein Scharnier für Flügzeugtüren.
289
Beier
Preformkonzept:
Um das volle Potential der Nähtechnologie ausschöpfen zu können, ist
zunächst eine Konstruktionsanpassung des Tragarms notwendig.
Diese Anpassung kann zum Zwecke einer einfachen automatischen Ablage und
Zuführung zum Nähprozess der TRs auf drei Stapelfolgen S1, S2 und S3
reduziert werden (Abb. 10).
Abb. 10:
Stapelfolgen der TRs
Diese Stapelfolgen in Verbindung mit niedrig schmelzenden thermisch
aktivierbaren thermoplastischen Nähfäden und zwischen die Lagen eingelegten
thermoplastischen Vliesen sind Grundlage der daraus abgeleiteten Preformen.
Durch einen schnellen Aufheizprozess der thermoplastischen Nähte und Vlies
wird die gewünschte Geometrie fixiert, ohne vor der thermischen Aktivierung die
überragende Drapierfähigkeit der MAGs negativ zu beeinflussen. Aufgrund
dessen können die vernähten TRs im Gegensatz zu herkömmlichem
binderbasierten Gewebe leicht in komplexe 3D-Geometrien umgeformt werden.
Zudem bergen moderne MAGs ökonomische Vorteile [15].
Zur detaillierten Evaluierung der Leistungsfähigkeit der vorgestellten
Prefomprozesskette in Kombination mit MAG können generische Preformen,
die typischerweise im Leichtbau von Helikopter- und Flugzeugstrukturen zum
Einsatz kommen, identifiziert werden. Stabilitätsuntersuchungen daran ergeben,
dass diese U-, C-, T- und Doppel-T-Elemente durch die nicht aktivierten Nähte
alleine keine ausreichende Steifigkeit erreichen können. Eine nachfolgende
Aktivierung der Thermoplast-Nähte verbessert zwar die Stabilität. Um allerdings
im nächsten Schritt diese Basiselemente zu komplexen, hoch integrierten
Preformen mit ausreichender Steifigkeit zu fügen, sind zusätzlich zu den
thermoplastischen Nähfäden thermoplastische Vliese vorteilhaft. Diese Vliese
können durch Nähen auf einfache Art und Weise in gewünschter Menge und
Position ins TR eingearbeitet werden.
Zur Demonstration der Neukonstruktion zeigt Abbildung 11 die alte Konstruktion
(links) der neuen Konstruktion (rechts) gegenübergestellt. Aus dieser Skizze
wird die angestrebte höhere Preformintegration zur Absenkung der
Preformanzahl deutlich.
290
Beier
Abb. 11:
Herkömmlicher Lagenaufbau und
bzw. optimierte Konfiguration (rechts)
Preformkonzept
(links)
Aus diesen Ergebnissen abgeleitet ergeben sich Preforming- und
Werkzeugkonzepte zur Herstellung des Demonstratorbauteils. Ferner werden
zur Reduktion der Preformingschritte TRs auf Rohacell Schaumkerne direkt
appliziert und in das Preformingkonzept aufgenommen (Abb. 12).
Abb 12:
Direkte Preformmontage auf den Schaumkern
Die Anwendung dieser grundlegenden Designkonzepte führt in der Folge zur
Reduktion der Preformeinzelelemente von 133 auf 42. Diese 42 Preformen
werden nachfolgend in Gruppen durch Thermobonding und / oder Vernähen
gefügt, so dass daraus 12 höher integrierte Preformen entstehen. Diese stark
reduzierte Anzahl an Preformen führt in der Konsequenz zu einer erheblich
kürzeren Beladungsdauer des RTM-Werkzeuges. Abbildung 13 stellt die
Explosionszeichnungen des in konventioneller Bauweise hergestellten
Tragarms (links) und des modifizierten Preformaufbaus dar. Abbildung 14 zeigt
die komplette Preform in der geöffneten RTM-Form.
291
Abb. 13: Explosionszeichnung des herkömmlichen Tragarms (links)
bzw. optimierte Konfiguration (rechts).
Beier
Abb. 14:
Beladene RTM-Form
Die anschließende Injektion und Aushärtung der Preform ist mit den Prozessparametern der Serienfertigung problemlos möglich.
NDT- und mechanische Charakterisierung:
Es wurden insgesamt drei Demonstratorbauteile gefertigt, mit nahezu
identischem Gewicht. Aufgrund der etwas geringeren Wandstärken liegt dieses
292
Beier
ca. 10 % unter dem des Serienbauteils. Sowohl die Laminatqualität als auch die
Oberflächenqualität ist wie beim Serienbauteil von sehr hohem Standard.
Abbildung 15 zeigt den fertigen Tragarm.
Abb. 15:
Injizierter und ausgehärteter Tragarm
Eine computertomographische Aufnahme des Tragarmaugenbereichs nach
einem 50 J-Impact zeigt Abbildung 16. Der Impact verursacht deutliche
Delaminationen. Die Schädigung ist etwas stärker ausgeprägt, als sie
üblicherweise beim Serienbauteil zu beobachten ist. Dieses Verhalten kann auf
den generell etwas geringeren Delaminationswiderstand von MAGs zurückgeführt werden [16]. Die Schadensgröße wird durch die Polyamid-Vliese,
anders als in der Literatur beschrieben [17], nicht positiv beeinflusst. Dies kann
auf den speziellen Lagenaufbau zurückgeführt werden, der nicht zwischen jeder
„UD“-Lage ein Vlies vorsieht, so dass Delaminationen zwischen den nicht
modifizierten Lagen ungehindert voranschreiten können.
Abb. 16:
Computertomographische Aufnahme des Tragarmaugenbereichs
nach dem 50 J-Impact
293
Beier
Wie zu erwarten, versagt der Tragarm im nachfolgenden statischen Test an der
vorgeschädigten Lasche, indem die U-förmige „Preform“ aus der Struktur
gezogen wird. Trotz der Schädigung des Augenbereichs versagt der Tragarm
bei Lasten weit über dem geforderten Niveau durch eine langsam fortschreitende Rissausbreitung und erfüllt damit die Forderung einer schadenstoleranten Auslegung.
5.
PROZESS- UND KOSTENANALYSE
Herkömmliche auf Bindergewebe basierende Preformprozesse, die bislang
auch beim Serientragarm zur Anwendung kommen, sind in viele aufeinander
folgende automatische und manuelle Prozessschritte unterteilt. Zunächst wird
die angestrebte Zahl und Orientierung der bebinderten Gewebe 2-dimensional
abgelegt, erhitzt und zugeschnitten. Danach werden diese Stapel, begleitet von
einem weiteren Aufheiz- und Abkühlzyklus, in komplexere 3-dimensionale
Preformen umgeformt. In den meisten Fällen muss die so gewonnene Preform
nochmals zugeschnitten werden. Diese Unterpreformen werden nun in einem
oder mehreren Schritten zu höher integrierten Preformen zusammen mit den
benötigten Schaumkernen gefügt, bevor diese schließlich im RTM-Werkzeug
platziert werden können. Abschließend folgt die Injektion des Matrixharzes und
dessen Aushärtung mittels eines geeigneten Temperaturzyklus. Während die
Injektion und Aushärtung bereits automatisiert ist, ist das Preforming ein
größten Teils manueller Prozess. Dies kann dadurch erklärt werden, dass
komplexe Drapiervorgänge mit derzeitig verfügbaren Mitteln nicht maschinell
dargestellt werden können. Als Konsequenz daraus ergibt sich die in Abbildung
17 dargestellte Kostenverteilung bei der Herstellung des Serientragarms. Der
Anteil der Fertigung an den Gesamtkosten beträgt demnach ca. 60%.
Interessant dabei ist, dass davon etwa zwei Drittel auf das Preforming entfallen.
Folglich beträgt der Anteil des Prefoming-Prozesses an den Gesamtkosten
etwa 40%.
Abb. 17:
Kostenverteilung bei der
konventioneller Bauart
Herstellung
des
Serientragarms
in
294
Beier
Ein kosteneffizienter Preformingprozess für große Stückzahlen muss aufgrund
dieser Kostenstruktur die Möglichkeit bieten, sowohl die absolute Anzahl der
benötigten Preformen zu verringern, als auch eine weitgehende Automatisierung bei der Herstellung zu ermöglichen. Genau diese Potentiale bietet der
neue auf moderner Nähtechnologie basierende Preformprozess.
6.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorgestellten Untersuchungen umfassen alle Aspekte der Prozesskette, die
für eine industrielle Umsetzung notwendig sind. Es konnte gezeigt werden, dass
neue Preformkonzepte die Realisierung komplexer Strukturen bei gleichzeitiger
Reduktion der Preformanzahl ermöglichen. Damit einhergehend sinken die
Fertigungskosten. Des Weiteren bieten die textile Herstellung von TRs und das
Schmelzkleben von niedrig schmelzenden Thermoplast-Nähfäden oder Vliesen
Vorteile im Drapierprozess, in der Preformstabilität und letztlich auch in der
Automatisierbarkeit des Preformings. Die vorgeschlagene Prozesskette bietet
aufgrund der hohen Automatisierung zusätzlich eine hohe Prozesssicherheit.
Zur automatisierten, zerstörungsfreien Qualitätskontrolle können darüber hinaus
radioskopische Verfahren zum Einsatz kommen, um so Fehler schon in einem
frühen Stadium der Wertschöpfungskette zu detektierten. Parallel zu den
prozesstechnischen und ökonomischen Vorteilen kann sowohl auf Coupontestebene als auch auf Bauteilebene ein im Vergleich zu unvernähten MAGs
exzellentes mechanisches Eigenschaftsniveau erzielt werden. Die Nähtechnik
besitzt deshalb folgerichtig das Potential in zukünftigen hochvolumigen
Flugzeuganwendungen eingesetzt zu werden.
Darüber hinaus kann mit Hilfe innovativer Binder-Halbzeuge zukünftig auch auf
die mechanischen Eigenschaften der Laminate gezielt Einfluss genommen
werden. Gegenstand aktueller Forschung ist die Zähmodifizierung mittels
löslicher thermoplastischer Vliese, ein viel versprechender Ansatz mit dem
Potential, die Lücke zur gegenwärtigen Prepregtechnologie zu schließen.
7. DANKSAGUNG
Die Autoren möchten sich bei der BAYERISCHEN FORSCHUNGSTIFTUNG für
die finanzielle Unterstützung bedanken.
295
Beier
Literatur
[1]
N.N.
Airbus Global Market Forecast 2007 -2026
[2]
O. Meyer
Kurzfaser-Preform-Technologie zur
kraftflussgerechten Herstellung von Faserverbundbauteilen
Dissertation, Stuttgart (2008).
[3]
C. Weimer;
et al.
Approach to net-shape preforming using textile
technologies. Part I: edges
Comp Part A (2000), 31: 1261-1268.
[4]
[5]
M. Neitzel;
Handbuch Verbundwerkstoffe
P. Mitschang
Carl Hanser Verlag, München 2004.
J. Schulz;
Einsatz der Preformtechniken zur Produktivitätssteigerung bei der Verarbeitung von Faserverbundkunststoffen
et al.
DGM Tagung, Bayreuth (2009).
[6]
P. Mattheij;
et al.
3D reinforced stitched carbon/epoxy laminates made
by tailored fibre placement
Comp Part A (2000), 31: 571-581.
[7]
A.P. Mouritz;
et al.
Review of applications for advanced threedimensional fibre textile composites
Comp Part A (1999), 30: 1445-1461.
[8]
S. Rudov-Clark;
et al.
Fibre damage in manufacture of advanced threedimensional woven composites
Comp Part A (2003), 34: 963-970.
[9]
K. Drechsler.
Process and simulation chains for advanced textile
structural composites
SAMPE Conference Proceedings (2008), 53 366/1366/14.
[10] U. Hassler;
et al.
[11] U. Hassler;
et al.
Röntgenprüfung an genähten CFK-Preformteilen
DGZFP-Jahrestagung, Fürth (2007).
Computed tomography for analysis of fibre
distribution in carbon fibre performs
International Symposium on Digital Industrial
Radiology and Computed Tomography, Lyon (2007).
296
Beier
[12] U. Beier;
et al.
Evaluation of preforms stitched with a low melting
temperature thermoplastic yarn in carbon fibrereinforced composites
Comp Part A (2008), 39(5): 705-711.
[13] U. Beier;
et al.
Mechanical performance of carbon fibre-reinforced
composites based on preforms stitched with
innovative low-melting temperature and matrix
soluble thermoplastic yarns
Comp Part A (2008), 39: 1572-1581.
[14] Ch. Baron
Mechanische Eigenschaften kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) bei Variation der
Matrixduktilität und der Bruchdehnung der Faser
Dissertation, Bremen (1990).
[15] R. Parnas
Liquid Composite Molding
Carl Hanser Verlag, München 2000.
[16] H. Wagner, et al.
H. Wagner, H. Bansemir, K. Drechsler, C. Weimer,
Impact Behaviour and Residual Strengh of Carbon
Fiber Textile based Materials
Proceedings SAMPE SETEC07.
[17] M. Kuwata; et al.
Impact resistance of interleaved
nonwoven fabric as interleaf materials
FRP
using
Nippon Fukugo Zairyo Gakkaishi (2007), 33(2), 5561.
Stichworte:
Kohlefaser-Verbundwerkstoffe,
Schadenswiderstand,
mechanische
Eigenschaften, Preformtechnologie, Epoxidharz, vernähte Verbundwerkstoffe,
Vakuumunterstütztes RTM (VARTM)
Keywords:
Carbon-Fibre Composites, Impact Resistance, Materials-Non-Woven,
Mechanical Properties, Preform Technologies, Epoxy, Stitched Composites,
Vacuum-Assisted RTM (VARTM)
297
Beier
Flexible Preformprozesskette für CFK
Autor/author:
Dipl.-Ing. Uwe Beier
Dr. Jan K.W. Sandler
Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt
University of Bayreuth
Polymer Engineering
Universitätsstraße 30
D-95447 Bayreuth, Germany
E-Mail-Adresse: [email protected]
Webseite: www.polymerengineering.de/
Tel.: +49(0)921/5574-71
Fax: +49(0)921/5574-73
Dr.-Ing. Gerrit Hülder
Prof. Dr.-Ing. Ernst Schmachtenberg
University of Erlangen-Nürnbderg
Lehrstuhl für Kunststofftechnik
Am Weichselgarten 9
D-91058 Erlangen, Germany
Dipl.-Ing. Hermann Spanner
Dr.-Ing. Christian Weimer
Dipl.-Ing. Tim Roser
Dipl.-Ing. Wolfgang Buchs
Eurocopter Deutschland GmbH
D-81663 Munich, Germany
Dipl.-Ing Ulf Hassler
Fraunhofergesellschaft Entwicklungszentrum Röntgentechnik
Fürth, Germany
Herausgeber/Editor:
Europa/Europe
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein, verantwortlich
Lehrstuhl für Kunststofftechnik
Universität Erlangen-Nürnberg
Am Weichselgarten 9
91058 Erlangen
Deutschland
Phone: +49/(0)9131/85 - 29703
Fax.:
+49/(0)9131/85 - 29709
E-Mail-Adresse: [email protected]
Verlag/Publisher:
Carl-Hanser-Verlag
Jürgen Harth
Ltg. Online-Services & E-Commerce,
Fachbuchanzeigen und Elektronische Lizenzen
Kolbergerstrasse 22
81679 Muenchen
Tel.: 089/99 830 - 300
Fax: 089/99 830 - 156
E-mail-Adresse: [email protected]
Amerika/The Americas
Prof. Prof. h.c Dr. Tim A. Osswald,
responsible
Polymer Engineering Center,
Director
University of Wisconsin-Madison
1513 University Avenue
Madison, WI 53706
USA
Phone: +1/608 263 9538
Fax.:
+1/608 265 2316
E-Mail-Adresse:
[email protected]
Beirat/Editorial Board:
Professoren des Wissenschaftlichen
Arbeitskreises Kunststofftechnik/
Professors of the Scientific Alliance
of Polymer Technology
298

Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology

Transcrição

Documentos relacionados

QZ_2015_05_Inhaltsverzeichnis - QZ

Neue multivariate Prozessbeurteilung - QZ

Bereichsleiter Produktion (m/w)

Große Bleche mit dem Laser auf Portalanlagen schneiden

3D-Viewer - Automation

Power für die Farbausgabe!

Ausschreibung Techniker-Stelle Stade - CFK

Wechselwirkungen Kunststoff - Laserprozess

Der richtige Dreh (Teil 2)

Rezyklat veredeln

INHALT CAD CAM 9-10/2006 SZENE EVENT

Einfluss der Prozessführung auf die Bauteileigenschaften bei der

Zulieferer Interieur Deutschland/Österreich

Die Wohnungsgenossenschaft "Carl Zeiss" eG ist mit einem Bestand

Einfluss der tribologischen Eigenschaften der Schneckenoberfläche