Hybrid Consolidation
Final Report Abstract
Im Projekt „Hybridkonsolidierung“ wurden verschiedene, grundlegende Untersuchungen zur Pultrusion dünnwandiger Bauteile, Aushärtungsüberwachung von Vernetzungsvorgängen,Verklebung von Faserverbunden und Automatisierung von Prepregfertigungsprozessen durchgeführt. Die erste Projektphase gliederte sich in insgesamt vier Hauptarbeitspakete: Im ersten Arbeitspaket des Projektes Hybridkonsolidierung wurde die überwachte, statische Aushärtung von dünnschichtigen CFK Bändern thematisiert. Im Projektverlauf wurde dazu die vollständige Entwicklung und Validierung einer Prozesskette zur pulsultraschallbasierten Aushärtungsüberwachung von Duromeren durchgeführt. Die besondere Herausforderung des Arbeitspaketes bestand in den kleinen Querschnitten auf die das vorliegende Projekt abzielt. Zur Validierung des gewählten Ansatzes wurde ein Pultrusionswerkzeug entwickelt und hergestellt, in dem zunächst statisch die Reaktion von Epoxidharzen untersucht werden konnte. Die Ergebnisse zeigen die hervorragende Anwendbarkeit der entwickelten Prozesskette. Zukünftige Arbeiten werden insbesondere in der Weiterentwicklung des experimentellen Aufbaus, der Signalanalyse sowie in der genauen Analyse der Schallausbreitung im Pultrusionswerkzeug gesehen. Im zweiten Arbeitspaket wurden verschiedenste Oberflächenvorbehandlungsverfahren und verschiedene Klebstoffsysteme untersucht. Insbesondere konnte der Einfluss der Laser- und Plasmavorbehandlung beurteilt werden. Die Ergebnisse zeigen den positiven Einfluss der Vorbehandlungsverfahren auf die Benetzbarkeit von Oberflächen. Es wurde eine Reihe von Parametern gefunden mit denen hervorragende Ergebnisse erzielt werden können. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die Klebfestigkeit durch die Vorbehandlungen gesteigert werden kann. Dagegen konnte im Verlauf des Projekts keine klare Bewertung im Sinne einer optimalen Kombination von Vorbehandlung und Klebstoff getroffen werden. Vielmehr zeigen die Ergebnisse aus einer parametrisierten Finiten-Element-Analyse, dass kein klares Optimum bestehen kann. Ein Zielkonflikt zwischen Schadenstoleranz auf der einen, sowie Kraftübertragung der Klebschicht und Temperaturstabilität auf der anderen Seite bedingt, dass ein an den Anwendungsfall angepasster Klebstoff gewählt werden muss. Im dritten Arbeitspaket wurden die Materialeigenschaften von verklebten, vorausgehärteten Laminatschichten untersucht. Um eine maximale Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden im ersten Schritt einzelne CFK-Lagen im Autoklavverfahren hergestellt, verklebt und in vergleichenden Experimenten mit monolithisch gefertigten UD-Laminaten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Faserausnutzungsgrade der Laminate durch die Verklebung nicht negativ beeinflusst werden. Im Anschluss wurden die gewonnenen Erkenntnisse auf die Verklebung von pultrudierten Bauteilen übertragen. In den Versuchen konnte die grundlegende Forschungshypothese, dass auf diese Art gleiche Materialkennwerte erhalten werden können wie in monolithischen Prepregbauteilen, nicht bestätigt werden. Aufgrund der hohen Bauteilqualität von im Prepregverfahren hergestellten Probekörpern gestaltet sich ein Nachweis von Verbesserungen der Faserausrichtung als äußerst schwierig. Gleichzeitig deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die ermittelten Festigkeiten insbesondere auf Druck durch eine optimierte Probenpräparation und verbesserte Prüfaufbauten deutlich verbessert werden können. Zukünftige Arbeiten zur Hybridkonsolidierung sollten sich insbesondere auf Anwendungsbereiche konzentrieren, in denen eine signifikante Fehlorientierung von Fasern regelmäßig auftritt. Nur in diesen Anwendungsfällen kann das volle Potential des Ansatzes ausgenutzt werden. Im vierten Arbeitspaket wurde die Herstellung dünnschichtiger Bänder in einem automatisierten Prozess thematisiert. Das entwickelte Pultrusionswerkzeug konnte erfolgreich in einer Pultrusionsanlage getestet werden. Durch eine optimierte Faserführung können nun vor Ort dünnschichtige Pultrudate mit verschiedenen Fasern, Matrixsystemen und Querschnitten hergestellt werden. Zusätzlich konnten erste Erkenntnisse über die Überwachung des Pultrusionsprozesses gewonnen werden. Die prinzipielle Anwendbarkeit des in Arbeitspaket 1 entwickelten Ultraschallverfahrens konnte auch während der Pultrusion nachgewiesen werden. Gleichzeitig wurden aber auch erhebliche Herausforderungen aufgedeckt, die noch nicht vollständig gelöst werden konnten. Das gesteckte Ziel einer sich selbst regelnden Anlage zur Aushärtung von CFK Bändern konnte in Teilaspekten erreicht werden. Es müssen deutliche Verbesserungen in der Qualität der Sensorsignale erreicht werden, um eine stabile Regelung zu erreichen. In einem ergänzenden Arbeitspaket wurde ein potentielles Anwendungsgebiet der Hybridkonsolidierung näher beleuchtet. Die Vorkonsolidierung der Faserverbundschichten in einem getrennten Prozess hat das Potential dazu, in Grid-versteiften Schalen eingesetzt zu werden und hier eine automatisierte Fertigung deutlich zu vereinfachen. In diesem Projekt konnte hierzu eine Fertigungstechnologie entwickelt werden, mit der sogenannte Interface- Lagen automatisiert abgelegt werden können. Dieses neuartige Verfahrens legt den Grundstein, um in nachfolgenden Arbeiten die vollständig automatisierte Herstellung von fachwerkartigen Strukturen zu untersuchen.
Publications
- (2016) Consolidated fiber placement - Cutting of consolidated fiber tapes: Soc. for the Advancement of Material and Process Engineering
Henneberg, A. und Sinapius, M.
- (2016) Prinzipien der automatisierten Ablage für unidirektionale, konsolidierte Kohlenstofffaserbänder. Dissertation. TU Braunschweig
Henneberg, A.
- (2016) ‘Consolidated Fibre Placement (CFP) – Adhesive joining of consolidated fibre tapes’, Composite Structures, 140, pp. 337–343
Henneberg, A., Transier, G. und Sinapius, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.12.008) - (2016): A Hybrid Bondline Concept for Bonded Composite Joints, Int. Journal of Adhesion and Adhesives
Löbel, T., Holzhüter, D., Sinapius, M., Hühne, C.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2016.03.025) - Pulse Ultrasonic Cure Monitoring of the Pultrusion Process, Sensors 2018, 18(10), 3332
Scholle, P. and Sinapius, M.
(See online at https://doi.org/10.3390/s18103332)
