Grundlagen zur Imprägnierung von Dry Fiber Placement - Preforms

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. David May
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 347699788

Bei Harzinjektionsverfahren erfolgt die Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden indem eine vorgeformte Faserstruktur - die Preform - mit einem flüssigen duroplastischen Harzsystem imprägniert wird. Die innovative Preformingtechnologie Dry Fiber Placement (DFP) erlaubt die Fertigung einer endkonturnahen Preform direkt aus Rovings in einem Schritt. Hierzu wird ein mit thermoplastischen Binderpartikeln versetzter Roving mit einem Ablegekopf diskontinuierlich sowie richtungs- und positionsvariabel auf einer Fläche abgelegt und durch temporäres Aufschmelzen der Binderpartikel fixiert. So kann eine hohe Materialeffizienz durch optimierte Faserausrichtung sowie Masseverteilung entsprechend der relevanten Lastfälle und eine quasi zero-waste Preformherstellung erreicht werden. Die DFP-Preforms bergen allerdings ein gravierendes Problem hinsichtlich der späteren Imprägnierung: Die Permeabilität, welche die Durchlässigkeit für ein Fluid und damit die Imprägnierbarkeit beschreibt, ist dramatisch schlechter als bei klassischen Textil-basierten Preforms. Die Unterschiede ergeben sich aus der DFP-Struktur, die im Gegensatz zu Geweben oder Gelegen keine Mesofließkanäle (Fließkanäle zwischen den Rovings) aufweist. Diese sind für die Harzverteilung von herausragender Bedeutung, da ihre Permeabilität um Dekaden höher liegt als die von Mikrofließkanälen (Fließkanäle in Rovings, zwischen den Einzelfilamenten). Der industrielle Einsatz von DFP-Preforms ist daher derzeit nicht realisierbar.Das Ziel des beantragten Projektvorhabens ist es die grundlegenden Zusammenhänge beim Imprägnieren von DFP-Strukturen zu erforschen. Hierauf aufbauend ist zu untersuchen, wie die Permeabilität von DFP-Preforms durch Manipulation der Faserstruktur gezielt beeinflusst werden kann. Dazu werden theoretische, simulative und experimentelle Studien synergetisch kombiniert, um ein ganzheitliches Materialmodell zu entwickeln, das die Permeabilitätseinflüsse verschiedener Strukturvariationen beschreibt. Im Einzelnen sollen dafür die folgenden Teilziele erreicht werden:1. Theoretische Modellierung der lokalen (Mikro-/Mesoebene) und globalen (Makroebene) Permeabilitätseinflüsse verschiedener Strukturvariationen2. Entwicklung von Simulationsmodellen für umfassende Parameterstudien zu den Strukturvariationen3. Experimentelle Untersuchung der Permeabilitätseinflüsse als Grundlage für die Modellvalidierung4. Verfeinerung/Validierung der Materialmodelle und der Simulationen durch Quervergleiche5. Entwicklung und Validierung eines ganzheitlichen Materialmodells inklusive Einflüsse durch Überlagerung verschiedener Strukturvariationen und DrapierungDieses Projekt fokussiert sich damit auf die Grundlagenforschung zur Permeabilität von DFP-Preforms. Erst durch diese abgesicherten Grundlagenerkenntnisse kann zum Beispiel in nachfolgenden Verbundvorhaben mit Industriebeteiligung die aktive Verbesserung des Imprägnierverhaltens in industriellen Prozessen umgesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen