Feinschneiden von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (Feinschneiden CFK)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, auch CFK (carbonfaserverstärkte Kunststoffe) genannt, weisen durch ihre hohe spezifische Festigkeit eine hohe Relevanz für den stofflichen Leichtbau auf. Aufgrund der hohen Fertigungskosten sowie der steigenden Nachfrage nach solchen Faserverbundwerkstoffen in verschiedenen Industriebranchen, wie z. B. Automotive, ist ein Massenproduktionsverfahren nötig, um die Fertigungskosten bei hohen Stückzahlen zu senken. Eine mögliches Fertigungsverfahren, bspw. zum Besäumen von Karosserieteilen oder zum Einbringen von Aussparungen in ebenjene, stellt das Feinschneiden dar. Das Feinschneiden von CFK ist jedoch nur unzureichend erforscht. Dahingehend wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Ursache-Wirkung-Zusammenhänge beim Feinschneiden von CFK zu analysieren. Eine Auswertung der Prozessdaten zeigte, dass die Schneidkraft im Allgemeinen nach etwa 25 % des Schneidweges drastisch abfiel, was mit einem großflächigen Versagen des Werkstoffverbundes begründet wurde. Wesentliche Parameter, die zu einer Erhöhung der Schneidkraft beitrugen, waren eine größere Laminatdicke, eine größere Niederhalterkraft, ein größerer relativer Faservolumenanteil sowie die Faserorientierung. Die Schnittflächenqualität wurde auf makroskopischer Ebene mittels Lichtmikroskopie und Profilmessungen sowie auf mikroskopischer Ebene anhand von REM und CT-Aufnahmen charakterisiert. Zur Verbesserung der Schnittflächenqualität trugen hohe Prozesskräfte und ein kleiner Schneidspalt bei. Ebenso erhöhte eine möglichst parallele Ausrichtung der Schnittlinie zum Faserverlauf und damit eine geringe Anzahl zu trennender Fasern die Schnittflächenqualität. Auch wenn die Profilmessung keinen signifikanten Einfluss des relativen Faservolumenanteils auf die Schnittflächenqualität offenbarte, so zeigten CT- Aufnahmen eine signifikante Reduktion von Werkstoffausbrüchen auf der Schnittfläche unter Verwendung des höchsten Faservolumenanteils von 70 %. Weiterhin wurde ein numerisches Modell entwickelt mithilfe dessen es möglich war, die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften beim Feinschneiden abzubilden. Eine Herausforderung stellte die Schädigungsmodellierung dar, bei der eine Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften im Konituumsmodell abgebildet wurde. Dadurch wird jedoch die benötigte Schneidkraft signifikant überschätzt. Eine Möglichkeit zur Optimierung besteht in einer separierten Modellierung von Faser und Matrix unter Verwendung geeigneter Material- sowie Schädigungsmodelle, die jedoch deutlich aufwändiger in der Realisierung ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical modeling for shearing of unidirectional carbon fiber reinforced plastic laminates by means of near-net-shape blanking. Procedia Structural Integrity, 61, 206-213.
Stoel, T.; Uhlmann, L.; Schweinshaupt, F.; Müller, M.; Herrig, T. & Bergs, T.
