Prozessanalyse des pseudo-plastischen Verformungsverhaltens von unidirektional verstärkten Stapelfaser-Organoblechen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Mitschang
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471480678

Kontinuierlich faserverstärkte Thermoplaste, die sogenannten Organobleche, sind hoch leistungsfähige Halbzeuge, die im Thermoformprozess sehr wirtschaftlich zu schalenförmigen Bauteilen verarbeitet werden können. Jedoch resultiert aus der begrenzten Drapierbarkeit der Faserverstärkung eine vergleichsweise beschränkte geometrische Bauteilkomplexität. Organobleche mit kontinuierlicher Carbon- oder Glasfaserverstärkung zeigen kein plastisches Verformungsverhalten, da die Belastung der kontinuierlichen Fasern aufgrund der geringen Bruchdehnung nahezu direkt zum Materialversagen führt. Ein Lösungsansatz ist der Einsatz von Stapelfasergarnen, wodurch sich ein zusätzlicher Verformungsfreiheitsgrad beim Thermoformen von Organoblechen realisieren lässt. Durch die spezifische Konstruktion der Stapelfasergarne aus ca. 60 bis 80 mm langen und sich jeweils an unterschiedlichen Positionen überlappenden Einzelfaserstücken, sogenannten Stapelfasern, können sich diese eingebunden in einer schmelzflüssigen, hochviskosen Matrix infolge einer aufgebrachten Zugspannung in Garnlängsrichtung gegeneinander bewegen bzw. aufeinander abgleiten. Technisch bedeutet dies, dass Stapelfaser-Organobleche in aufgeschmolzenem Zustand pseudo-plastisch verformbar sind. Dies ermöglicht erstmals ein tiefziehendes Umformen ähnlich der Metallblechverarbeitung. Ziel des Vorhabens ist es, den Einsatz von Stapelfasergarnen aus rezyklierten Kohlenstofffasern für Organobleche und deren Verarbeitung im Thermoformverfahren zu qualifizieren. Die herstellungsbedingte Faserondulation soll in zwei Prozessstufen minimiert und so das Prozessverhalten und die mechanischen Eigenschaften von Stapelfaser-Organoblechen verbessert werden. Zunächst wird ein aktiv verstrecktes Stapelfasertape hergestellt, welches im Tapelegeprozess unter weiteren Verbesserungen der Einzelfaserorientierung zu Organoblechen weiterverarbeitet wird. Diese Stapelfaser-Organobleche werden anschließend hinsichtlich ihres pseudo-plastischen Materialverhaltens detailliert analysiert. Hierzu sind Grundlagen zur durchgängigen Beschreibung des Material- und Prozessverhaltens von der Tapeherstellung bis zur pseudo-plastischen Verformung im Thermoformprozess erforderlich. Um die grundlegenden Mechanismen des pseudo-plastischen Materialverhaltens zu erforschen, konzentrieren sich die Untersuchungen ganz gezielt auf das Verhalten unidirektionaler Stapelfaser-Organobleche. Eine Erweiterung auf multidirektionale Laminate sowie Werkzeug- und spezifische Thermoform-Einflüsse sollen bei erfolgreicher Bearbeitung in Folgeprojekten erforscht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen