Tack of Thermoset Impregnated Carbon Fibers (TackTIC) - Charakterisierung und Modellierung von Prepreg-Tack für die automatisierte Fertigung von CFK-Strukturen
Kunststofftechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsvorhaben TackTIC zielte auf die Generierung eines Grundverständnisses zu Einflüssen und Wirkmechanismen der Klebrigkeit (Tack) von vorimprägnierten Kohlenstofffaser-Halbzeugen (Prepregs). Diese Materialeigenschaft ist insbesondere im Flugzeugbau für die Herstellung großflächiger, hochbelastbarer Faserverbund-Strukturbauteile durch automatisierte Legeprozesse wie das Automated Fiber Placement (AFP) von entscheidender Bedeutung, da bei unzureichender Einstellung des Tacks Legedefekte im Laminat auftreten können. In der Forschungsliteratur wurde die Klebrigkeit von Prepregs in der Vergangenheit aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht, wobei sowohl unterschiedliche Materialien als auch Messverfahren zum Einsatz kamen. In der Folge ist ein Vergleichbarkeits- und Übertragbarkeitsdefizit zu verzeichnen, während es Hinweise dafür gibt, dass es sich bei Prepreg-Tack um ein komplexes Phänomen handelt, welches holistische Betrachtung erfordert. In dem Projekt TackTIC wurden daher die zugrundeliegenden Mechanismen (Oberflächenbenetzung, Autohäsion, Kontaktausbildung), prozess- und umweltbedingte Faktoren (Alterung, Kompaktierungsdruck, Legegeschwindigkeit, Temperatur), Materialkriterien (Harztyp, Zähmodifizierung, B-Staging) und messtechnische Effekte (Probe Tack- und Peel Test) eingehend untersucht sowie fertigungsrelevante Implikationen des Prepreg-Tacks für das AFP abgeleitet. Es wurde nachgewiesen, dass die Klebeeigenschaften der Prepregs und Harzformulierungen von allen untersuchten Faktoren signifikant beeinflusst werden. Die Einflüsse konnten quantitativ beschrieben und auf Veränderungen der Prepregeigenschaften zurückgeführt werden, die durch ergänzende Materialanalyse offengelegt wurden. Die eingesetzten Messverfahren erwiesen sich als geeignet für die Messung der Prepreg-Klebrigkeit in Bezug auf Reproduzierbarkeit und die Fähigkeit, zugrundeliegende Haftmechanismen zu erklären. Die fertigungstechnische Reichweite des Prepreg-Tacks wurde mithilfe eines semi-empirischen AFP-Prozessmodells bewertet, das die charakteristischen glockenförmigen Klebrigkeitskurven als Funktion der Materialtemperatur für verschiedene Fertigungsszenarien erfolgreich reproduzierte. Darüber hinaus wurden experimentell begründete und modellgestutzte Empfehlungen zur Anpassung von Formulierungen für thermoplastisch schlagzähmodifizierte Prepregs auf Epoxidharzbasis in Hinblick auf die Klebrigkeit erarbeitet. Die im Rahmen des Projektes vorgestellten Ergebnisse bieten dadurch eine fundierte Grundlage für Prozessanpassungen, um die Anforderungen an die Klebrigkeit von Prepregs zu erfüllen und somit das Risiko von Laminatdefekten während der automatisierten Prepregablage zu reduzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Measuring techniques for prepreg tackiness: A comparative study, SAMPE Europe 23 Conference Proceedings, Euroforum El Escorial Madrid, Spain.
D. Budelmann, C. Schmidt & D. Meiners
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Adhesion-cohesion balance of prepreg tack in thermoset automated fiber placement. Part 1: Adhesion and surface wetting. Composites Part C: Open Access, 6, 100204.
Budelmann, D.; Schmidt, C. & Meiners, D.
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Haftungseigenschaften duromerer Kohlenstofffaser-Prepregs im Automated Fiber Placement. 4. Clausthaler Symposium Materialtechnik, 25.-26. Feb. 2021, Clausthal Zellerfeld.
D. Budelmann & D. Meiners
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Charakterisierung der Klebrigkeit von Prepregs: Implikationen für die automatisierte Herstellung von Luftfahrtstrukturen aus CFK. Science Days der TU Clausthal 2022: „Neuartige Materialien und Prozesse für wettbewerbsfähige Produkte“, 14. Sept. 2022, Clausthal Zellerfeld.
D. Budelmann & D. Meiners
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Tack of epoxy resin films for aerospace-grade prepregs: Influence of resin formulation, B-staging and toughening. Polymer Testing, 114, 107709.
Budelmann, D.; Schmidt, C. & Meiners, D.
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Adhesion-cohesion balance of prepreg tack in thermoset automated fiber placement. Part 2: Ply-ply cohesion through contact formation and autohesion. Composites Part C: Open Access, 12, 100396.
Budelmann, D.; Schmidt, C.; Steuernagel, L. & Meiners, D.
