Untersuchung möglicher Umformmechanismen von Kreiszylinderrohren aus Faser-Kunststoff-Verbunden mit thermoplastischer Matrix
Lightweight Construction, Textile Technology
Final Report Abstract
Thema des Forschungsprojekts bildete die Untersuchung möglicher Umformmechanismen von Kreiszylinderrohren aus Faser-Kunststoff-Verbunden mit thermoplastischer Matrix. Ziel war es, die Umformmechanismen und deren Einfluss auf das Umformverhalten zu erfassen. Letztlich sollten die Ergebnisse die Konzeption eines entsprechenden Umformwerkzeugs zur kontinuierlichen Umformung von endlosfaserverstärkten Kreisrohren sowie die Herstellung entsprechend umgeformter Profile ermöglichen. Allgemein stellt bei der Umformung aus dem Rohrquerschnitt in einen beliebigen anderen Querschnitt die Biegung in Querschnittsebene den makromechanischen Umformmechanismus dar. Erfolgt die Umformung kontinuierlich, beispielweise durch das Abziehen über ein entsprechendes Umformwerkzeug, tritt zudem Biegung in Profillängsrichtung auf. Aufgrund der geringen Biegeverformung ist dieser Anteil jedoch von untergeordneter Bedeutung für den Umformprozess. Da die Glasfasern im Gegensatz zu duktilen Werkstoffen, wie beispielsweise Metallen oder der thermoplastischen Matrix selbst, kein plastisches Verformungsvermögen aufweisen, bedingt diese Biegeverformung eine unbehinderte Verschiebung einzelner Faserlagen zueinander. Mikromechanisch sind dazu Gleit- und Rotationsbewegungen der Faserlagen notwendig. Diese sind entscheidend für die Umformbarkeit und damit für die Qualität des Bauteils. Ausgehend von den charakteristischen Umformmechanismen für endlosfaserverstärkte Bauteile im Allgemeinen, konnte für die Umformung geschlossener Profile das interlaminare Gleiten, das heißt das Abgleiten einzelner Faserlagen, als bestimmender Umformmechanismus identifiziert werden. Für einfaches Abgleiten ist die Ausbildung matrixreicher Zwischenlagen erforderlich! Maßgebender Parameter in Bezug auf mögliche Umformgrenzen stellte in den Versuchen der Faservolumenanteil dar. Insbesondere große Faserwinkel der Rohrwicklung führen zu einer lokalen Verdichtung des Laminats während des Umformvorgangs. Die damit verbundene Verdrängung von Matrixmaterial verhindert die Ausbildung matrixreicher Zwischenschichten. Die Folge waren Delaminationen zwischen den einzelnen Faserschichten des Laminats während des Abgleitens der Faserlagen zueinander. War dagegen genügend Matrixmaterial vorhanden, konnten Trennungen zwischen den einzelnen Faserschichten durch Nachfließen der Matrix verhindert werden. Bezüglich der Fertigungsparameter war in den Versuchen eine ausreichend hohe Umformtemperatur von Bedeutung. Diese musste oberhalb der Schmelztemperatur des Polymers liegen. Nur in diesem Fall war das Abgleiten der einzelnen Faserlagen möglich und damit eine fehlerfreie Umformung gewährleistet. Erfolgte die Umformung dagegen geringfügig unterhalb der Schmelztemperatur führte dies zu einem deutlichen Anstieg der erforderlichen Umformkräfte. Eine Überführung in die gewünschte Endkontur war in diesem Fall nicht möglich. Der Laminataufbau, das heißt unterschiedliche Winkel der Faserwicklung, wirkte sich dagegen nur geringfügig auf die Umformkräfte aus. Ausgehend von den Ergebnissen der experimentellen Voruntersuchungen wurde ein Finite-Element- Modell entwickelt, welches eine Simulation des Umformvorgangs ermöglicht. Dieses basiert auf einem linear elastischen Werkstoffmodell für die Faserlagen, welche reibungsfrei aufeinander abgleiten können. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die erforderlichen Werkstoffparameter mit geringem Aufwand aus den Faser- und Matrixdaten bestimmt werden können. Damit war es möglich den gesamten Umformprozess zu simulieren. Die Anwendbarkeit des Umformmodells konnte durch die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen bestätigt werden. Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung sowohl bezüglich der Endkontur als auch der Umformzwischenstufen. Auf Basis der berechneten Umformzwischenstufen war es letztlich möglich, ein Umformwerkzeug in Form eines Umformdorns abzuleiten, welcher eine kontinuierliche Umformung erlaubte. In Fertigungsversuchen konnte damit die kontinuierliche Umformung vom Kreis- in ein Quadratprofil erfolgreich umgesetzt werden.In den durchgeführten Untersuchungen wurde die Umformung vom Kreisquerschnitt in das Quadratprofil betrachtet. Verwendete Werkstoffe bildeten Glasfasern und Polypropylen als Matrixmaterial. Ziel weiterführender Untersuchungen muss die Ausdehnung auf weitere Profilgeometrien mit größerem Umformgrad sein. Zudem ist zu prüfen, inwieweit die Ergebnisse auf weitere Werkstoffkombinationen übertragbar sind. Einen weiteren zu analysierenden Aspekt stellt die Untersuchung des Umformprozesses zur Erzeugung nicht prismatischer, sowie in Längsrichtung gekrümmter Profile dar. Zum einen sind hierzu die theoretischen Grundlagen, insbesondere zur Vorhersage der Faserorientierung, zu erarbeiten. Zum anderen müssen Fertigungsverfahren zur Herstellung solcher Profile entwickelt werden. Die Umformung aus dem geschlossenen Kreisquerschnitt ermöglicht, im Gegensatz zu derzeitig eingesetzten Verfahren, die Herstellung geschlossener Profile ohne eine nachträgliche Verschweißung. So erfolgt die Kraftübertragung im Querschnitt durch hochfeste Fasern und nicht, wie im Falle einer Schweißung, durch interlaminaren Schub über die unverstärkte Matrix. Grundsätzlich werden so die Nachteile der Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Schweißung, sowie deren wesentlich geringere Festigkeit vermieden. Mit dem PAZ-Verfahren wurde zudem die Grundlage für einen neuen, äußerst wirtschaftlichen Fertigungsprozess zur kontinuierlichen Herstellung von mit hohen Faseranteilen gezielt verstärkten Rohren und Profilen mit Thermoplastmatrix bereitgestellt. Damit eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten dieser Produktgruppe, insbesondere in Bereichen, in welchen faserverstärkter Profile mit thermoplastischer Matrix aufgrund zu geringer Steifigkeits- und Festigkeitswerte bislang nicht eingesetzt wurden. Zudem wird mit der Entwicklung zur Herstellung nicht prismatischer und gekrümmter Profilsegmente der Aufbau eines modularen Baukastensystems angestrebt.
Publications
- Zur kontinuierlichen Herstellung prismatischer Leichtbauprofile aus Faser-Kunststoff- Verbunden mit thermoplastischer Matrix. Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau, Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen, Dissertation. Shaker Verlag, Aachen
Scholl, S.
- Das Profil-Armierungsziehen: Ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren, endlosfaserverstärkten Profilen mit thermoplastischer Matrix. SAMPE Symposium 2005, Darmstadt
Scholl, S.
- Continuous Profiles with Targeted Orientation. In: Kunststoffe international 7 (2008), S. 55-58
Schürmann, H.; Scholl, S.
- Endlosprofile mit gezielter Faserorientierung. In: Kunststoffe 7 (2008), S. 84-87
Schürmann, H.; Scholl, S.
- Leicht und doch stark. In: Polymerforschung 1 (2009)
Schürmann, H.; Scholl, S.
