Ganzheitlicher Ansatz zur Untersuchung des Imprägnierverhaltens von Dry Fiber Placement Preforms

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe bieten eine herausragende mechanische Performance bei relativ geringer Dichte und sind daher ideale Leichtbauwerkstoffe zur Realisierung von nachhaltigen Mobilitätskonzepten für die Zukunft. Harzinjektionsverfahren wie das Resin Transfer Molding (RTM) sind vielversprechende Prozesse zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden aus trockenen Vorformlingen, sogenannten Preforms. Zur Herstellung dieser Preforms wird üblicherweise auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder Gelege zurückgegriffen. Durch deren konstante Produktionsbreite fällt allerdings beim Zuschnitt auf endkonturnahe Preforms ein hoher Anteil an Verschnitt an, was einerseits die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses beeinträchtigt, andererseits aber auch zu hohen Abfallmengen führt. Daher ist es zielführend, klassische Preformingprozesse durch materialeffizientere Prozesse wie das Dry Fiber Placement (DFP) zu ersetzen. Im DFP werden in einem robotergestützten Legeverfahren mit einem Pulverbinder versehene Endlosfaserrovings direkt auf einem Werkzeug abgelegt, um eine endkonturnahe Preform mit lastgerechter Faserposition und -orientierung zu erstellen. Die durch DFP hergestellten Preforms weisen im Unterschied zu Preforms aus klassischen textilen Halbzeugen eine geringere Permeabilität, also Durchlässigkeit gegenüber dem für die Bauteilherstellung benötigten Harze, auf. Hierdurch werden sowohl die erreichbare Prozessgeschwindigkeit bei der Harzimprägnierung als auch die Bauteilqualität zu einer Herausforderung.
Im Rahmen eines DFG-geförderten Forschungsprojektes werden daher Ansätze erforscht, das Imprägnierverhalten dieser DFP-Preforms im Detail (also bis herunter auf die Ebene der einzelnen Fasern) zu verstehen. Gesamtziel ist neben dem grundlegenden Verständnis des Imprägnierverhaltens und dessen Manipulierbarkeit Ansätze aufzuzeigen, die die Imprägnierbarkeit der Preforms auf ein Niveau heben, das vergleichbar zu klassischen textilen Halbzeugen, wie beispielsweise Geweben, liegt. Nur so können die Vorteile hinsichtlich der Materialeffizienz wirtschaftlich genutzt werden. Für die Evaluation der Effektivität der verschiedenen Strukturvariationen hinsichtlich der Permeabilitätssteigerung wird auf einen ganzheitlichen Ansatz zurückgegriffen, der neben der experimentellen Untersuchung den Abgleich und die Kalibrierung mit simulativen und theoretischen Ansätzen beinhaltet (Abbildung 1). So kann zeiteffizient ein großes Spektrum möglicher Strukturvariationen evaluiert werden.
Die Ansätze zur Permeabilitätsbeeinflussung enthalten Variationen der Preformstruktur, die auf mehreren Ebenen ansetzen können. Die Mikroebene bezeichnet die Zwischenräume zwischen einzelnen Fasern, die beispielsweise durch die Einbringung von Hilfsmaterialien wie Binderpartikeln mit unterschiedlicher Morphologie vergrößert werden können. Die Mesoebene bezeichnet eine größere Ebene, bei der Zwischenräume zwischen gesamten Faserbündeln oder –strängen betrachtet werden. Ein mögliches Beispiel ist hier die Vernähung von Preforms zur Einbringung von Mesofließkanälen in die Preformstruktur wie in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt.

Insgesamt leistet das Projekt damit einen Beitrag das Dry Fiber Placement, welches sowohl aus der mechanischen Perspektive als auch hinsichtlich der Ressourceneffizienz große Vorteile bietet, auch prozesstechnisch konkurrenzfähig zu machen.

Weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Oliver Rimmel
Verarbeitungstechnik
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
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