Hochdruck-Imprägnierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Prozesskette Hochdruck-Imprägnierung werden die Prozessschritte „Imprägnierung“ und „Formen und Vernetzen“ räumlich und zeitlich voneinander getrennt, um so die Zykluszeit für die Herstellung endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile zu reduzieren. Das Ziel der Hochdruck-Imprägnierung besteht in der Herstellung endkonturnaher, porenarmer, imprägnierter textiler Preforms in kurzen Zykluszeiten. In der ersten Förderperiode wurden grundlegende Erkenntnisse für die Fertigung von ebenen FVK- Strukturbauteilen mit Dickensprung erzielt. Zu Beginn der zweiten Förderperiode wurde zunächst eine neue Prozesstechnik installiert und in Betrieb genommen. Hierzu zählt eine automatisierte Injektionsanlage, welche mit einem Formträger einen Fertigungsverbund bildet. In den Formträger wurde dann ein Imprägnierwerkzeug für die Fertigung von uniaxial gekrümmten, imprägnierten Preforms integriert. Aufbauend auf den Erkenntnissen der ersten Förderperiode wurden dann Untersuchungen hinsichtlich der erzielbaren Imprägnierqualität uniaxial gekrümmter Preforms durchgeführt. Wie auch bei den ebenen Bauteilen konnte hier nachgewiesen werden, dass sich eine Preformvorwärmung positiv auf die Imprägnierung der Verstärkungsfasern auswirkt. Die Preformvorwärmung ermöglicht eine schnelle und flächige Imprägnierung. Durch die Vorwärmung wird die Viskosität des Harzsystems gering gehalten, bis die Fasern vollständig imprägniert sind. Auf diese Weise ist eine porenarme Imprägnierung der Preforms sichergestellt. Des Weiteren konnte ein Prozessfenster definiert werden, welches die Fertigung ebener und uniaxial gekrümmter Bauteile mit Dickensprung ermöglicht. Damit alle gängigen Funktionselemente von Strukturbauteilen in den Untersuchungen berücksichtigt werden konnten, musste zunächst ein neues Imprägnierwerkzeug konstruiert und gefertigt werden. Dieses Imprägnierwerkzeug ermöglicht die Fertigung imprägnierter Preforms mit integrierten Funktionselementen. Diese Funktionselemente sind Durchbrüche (eckig und rund), Krafteinleitungselemente und Versteifungsstrukturen. Hierzu ist das Imprägnierwerkzeug modular aufgebaut, so dass durch den Austausch von Wechseleinsätzen die verschiedenen Funktionselemente und variable Kombinationen dieser Funktionselemente in die Bauteile eingebracht werden können. Bei der Konstruktion des Werkzeugs wurden alle Erkenntnisse aus der Fertigung ebener und gekrümmter Bauteile berücksichtigt. Nach dem Bau wurde dieses Werkzeug in die neue Anlagentechnik integriert. Zur Ansteuerung der Vielzahl an Funktionen des Werkzeugs wurde eigens eine Werkzeugsteuerung entwickelt und implementiert. Dadurch ist es möglich, über eine zentrale Bedieneinheit den gesamten Prozess zu steuern und somit eine automatisierte Fertigung zu realisieren. Die an den ebenen und gekrümmten Bauteilen erzielten Ergebnisse konnten dann auf die Fertigung von Bauteilen mit integrierten Funktionselementen übertragen werden. Die erzielten Ergebnisse konnten ohne größere Einschränkungen für die Fertigung mit der neuen Werkzeugtechnik übernommen werden. Zu diesen Ergebnissen zählen die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Reaktionskinetik des vorgewärmten Harzsystems und den vorgewärmten Faserhalbzeugen in einem gekühlten Imprägnierwerkzeug. Wie auch bei der Fertigung ebener und gekrümmter Bauteile, wurden bei der Fertigung funktionsintegrierter Bauteile, grundlegende Untersuchungen hinsichtlich Injektionsdüsenschaltungen, Injektionsgeschwindigkeiten, Einfrierdauer und Preformaufbau durchgeführt. Dabei konnten durch den systematischen Aufbau von grundlegendendem Prozessverständnis geeignete Anlagen- und Prozessparameter abgeleitet werden, die auch die Fertigung von funktionsintegrierten FVK-Strukturbauteilen in kurzen Zykluszeiten ermöglichen. In den Untersuchungen konnten Prozessfenster definiert werden, die es ermöglichen die Preforms innerhalb von 3 min zu imprägnieren und einzufrieren. Die einzelnen Schritte zur Reduktion der Zykluszeit wirken sich dabei nicht auf die erzielbaren mechanischen Eigenschaften aus. In Zusammenarbeit mit TP 8 konnten zudem für den Teilschritt „Formen und Vernetzen“ Zykluszeiten von 5 min erreicht werden. Somit konnte das zu Beginn der 2. Förderperiode gesetzte Ziel einer Zykluszeit von 10 min um 50 % unterschritten werden. Die Untersuchungen haben darüber hinaus gezeigt, dass eine Integration von Funktionselementen, wie z. B. Krafteinleitungselemente in dem Fertigungsprozess neben einem Vorteil bei der Zykluszeit, auch die mechanische Belastbarkeit der Krafteinleitungselemente um mindestens 40 % erhöht. Des Weiteren konnte in der Prozesskette der Hochdruck-Imprägnierung ein inline Qualitätssicherungssystem aufgebaut werden, mit dem die Bewertung der Imprägnierqualität der Preforms, vor der Weiterverarbeitung in TP 8 möglich ist. In weiteren Untersuchungen sollten die erzielten Ergebnisse auf reale Serienbauteile mit verschiedenen Funktionselementen übertragen werden. Damit könnte die Verfahrenstechnik der Hochdruck-Imprägnierung weiter an einen Serieneinsatz herangeführt werden. Dies ermöglicht den Herstellern von faserverstärkten Kunststoff-Bauteilen die Großserienfertigung von Strukturkomponenten aus FVK und somit einen Vorteil im Wettbewerb mit anderen Herstellern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Großserientaugliche Fertigungstechnologien für Leichtbau-Produkte aus faserverstärkten Kunststoffen. Leichtbaukongress auf der euroLite2010, Nürnberg, Juni 2010
Michaeli, W; Bastian, R.; Fischer, K.; Pöhler, M.; Wessels, J.; Winkelmann, L.
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New process chain for the automated manufacturing of structural FRP. 26th Annual Meeting of the Polymer Processing Society, Banff, Kanada, Juli 2010
Michaeli, W; Strohäcker, J.; Winkelmann, L.
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Großserientaugliche Fertigungstechnologien für Leichtbauprodukte aus faserverstärkten Kunststoffen. Lightweight Design, (2011) 1, S. 18-25
Michaeli, W; Winkelmann, L.
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New Process Chain for the Volume Production of Structural Composite Parts. SAMPE 2011, Long Beach, USA, Mai 2011
Michaeli, W; Winkelmann, L.
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New process technology for high volume production of composites. Journal of Polymer Engineering, 31 (2011) 1, S. 63-68
Michaeli, W.; Winkelmann, L.; Pöhler, M.; Wessels, J.
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Resin Transfer Prepregging – Fertigung von Strukturbauteilen in kurzen Zyklen. 17. Nationales Symposium des SAMPE Deutschland e.V., Aachen, Februar 2011
Michaeli, W; Winkelmann, L.
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Analysis of the impregnation process during the Resin Transfer Prepregging process. 28th Annual Meeting of the Polymer Processing Society, Pattaya, Thailand, Dezember 2012
Hopmann, Ch.; Schöldgen, R.; Fischer, K.; Fecher, M.L.
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New process chains for serial production of fibrereinforced plastics. Materials Science and Engineering, Darmstadt, September 2012
Hopmann, Ch.; Fecher, M.L.; Pöhler, M.; Wessels, J.
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Resin Transfer Prepregging – Process chain for large scale production of structural composite parts. Tagungsband 6th CFK Valley Stade Convention, Stade, Juni 2012
Hopmann, Ch.; Fecher, M.L.
