Konsolidierung thermoplastischer Hybridgarn-Materialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts „Consolidation of Thermoplastic hybrid yarn materials“ (ConThP) war die Entwicklung eines Konsolidierungsmodells für hybride Textilien, dass die lokalen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes wie Faservolumengehalt, Druckverteilung und Porengehalt zu beschreiben. Während der Imprägnierung von hybriden Textilien, basierend auf thermoplastischen Fasern und Kohlenstofffasern, finden mehrere Phänomene statt. Zunächst werden die trockenen Faserbündel durch den Matrixfluss imprägniert. Auftretende Druckunterschiede können zu einer Faserverschiebung führen. Darüber hinaus führen verbleibende Poren zur unvollständigen Imprägnierung. Im Rahmen des Projekts wurde ein Materialmodell zur Beschreibung der Imprägnierung von hybriden Textilien entwickelt. Im Vergleich zu bisherigen Modellen berücksichtigt das Modell im Roving eingeschlossene Luft und deren Lösung in der Matrix. In Versuchen wurden Laminate bei unterschiedlichem Druck und Haltezeiten gepresst. Durch ein zweistufiges isothermes Werkzeugkonzept konnten die Laminate schnell abgekühlt werden. So wurde der Imprägnierungsvorgang eingefroren. Anschließend wurden Proben entnommen und der Imprägnierungsgrad auf Roving-Ebene mittels Schliffbildanalyse bestimmt. Der Imprägnierungsgrad wurde mit der Vorhersage verglichen. Das Modell zeigt eine hohe Übereinstimmung für unterschiedliche Materialien und Drücke. Innerhalb des Projekts wurde ein Werkzeugkonzept entwickelt, mit dem es möglich ist die Imprägnierung in unterschiedlichen Prozessstadien im Röntgen-CT zu visualisieren. Dazu wird eine hochtemperaturbeständige und röntgentransparente Werkzeugform eingesetzt. Durch schnelles Abkühlen kann anschließend der Imprägnierungsgrad im Röntgen-CT analysiert werden. Anschließend erfolgt die weitere Imprägnierung in der Presse und nach Abkühlung kann der Imprägnierungsfortschritt an derselben Probe analysiert werden. Allerdings ist die Auflösung auf Filamentebene sehr zeit- und kostenintensiv, daher wurden zur Modellvalidierung nur einzelne Messungen durchgeführt. Weiterhin erfordert diese Auflösung sehr geringe Abstände zwischen Probe und Quelle. In weiteren Untersuchungen soll dieses Konzept zum tieferen Imprägnierungsverständnis beitragen. Neben dieser Untersuchung auf Coupon-Ebene erfolgte die qualitative Validierung auf Demonstratorebene an einer gestuften Platte. Das entwickelte Modell stimmt in einem weiten Prozessfenster mit den experimentellen Untersuchungen überein. Das Imprägnierungsmodell ist ein wichtiger Baustein für ein zuverlässiges Konsolidierungsmodell. Es wird gezeigt, dass der Effekt der eingeschlossenen Luft nicht vernachlässigt werden sollte, da er zu einem Plateauverhalten führt. In der Literatur verfügbare Modelle erfassen diesen Effekt bisher nicht. Durch die Berücksichtigung der eingeschlossenen Luft lassen sich die Prozesszeiten und Drücke für die Konsolidierung von hybriden Textilien anpassen und fehlerhafte Bauteile vermeiden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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ConThP: Consolidation of thermoplastic hybrid yarn materials. 5th International Conference and Exhibition on Thermoplastic Composites ITHEC, Bremen, DE, 2020
Vocke R., Werlen V., Rytka C., Schwanemann P., Michaud V., Dransfeld C., Brauner C. & Herrmann A. S.
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A numerical approach to characterize the viscoelastic behaviour of fibre beds and to evaluate the influence of strain deviations on viscoelastic parameter extraction. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 143, 106315.
Werlen, Vincent; Rytka, Christian & Michaud, Véronique
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Consolidation of hybrid textiles for aerospace applications. In A. P. Vassilopoulos & V. Michaud (Eds.), Proceedings of the 20th European Conference on Composite Materials: Composites Meet Sustainability (pp. 114-121). Lausanne, CH
Werlen V., Vocke R., Rytka C., Schwanemann P., Michaud V. & Dransfeld C.
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Contribution to the development of a setup for the efficient production of high-performance composite parts based on hybrid textiles. 5th Hybrid Materials and Structures 2022 - International Conference on Hybrid Materials, Leoben & online, AT, 2022.
Vocke V.; Werlen V.; Rytka C.; Schwanemann P.; Michaud V.; Dransfeld C.; Brauner C. & Herrmann A. S.
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A model for the consolidation of hybrid textiles considering air entrapment, dissolution and diffusion. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 166, 107413.
Werlen, Vincent; Vocke, Richard; Brauner, Christian; Dransfeld, Clemens; Michaud, Véronique & Rytka, Christian
