Multi Hardener Laminates (MHL) – Entwicklung eines Materialkonzepts zur Verringerung von Temperaturgradienten in dickwandigen Bauteilen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dieter Meiners
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530560189

Bei der Herstellung dickwandiger, hochbelastbarer Faserverbundbauteile kommt es bei der exothermen Aushärtereaktion des duromeren Harzsystems zu Wärmeentwicklung. Bleibt diese während des Fertigungsprozesses unberücksichtigt, entstehen große Temperaturunterschiede innerhalb des Bauteils, die sich aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des polymeren Werkstoffs nur langsam abbauen. Mit steigender Bauteildicke staut sich die entstehende Reaktionswärme in den mittleren Lagen des Bauteils. Durch höhere Temperaturen läuft die Aushärtereaktion schneller ab, wodurch es wiederrum zu schnellerer Wärmefreisetzung kommt. Die resultierenden Temperaturunterschiede führen so zu unterschiedlichen Aushärtegeschwindigkeiten im Bauteil und begünstigen die Entstehung von Eigenspannungen. Eigenspannungen können im fertigen Bauteil zu Verzug und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen, wobei es im schlimmsten Fall aufgrund von Überhitzung zu Materialdegradation kommen kann. Ziel des beantragten Vorhabens ist daher die Reduktion der Wärmeentwicklung und deren gezielte Nutzung durch Verwendung von unterschiedlich reaktiven Harz-Härtersystemen bei der Herstellung dickwandiger Faserverbundbauteile auf Basis von online hergestellten Prepregs. Das zu erforschende Materialkonzept sieht vor, die in den inneren Lagen des Bauteils entstehende Wärme durch den Einsatz weniger reaktiver Härterkomponenten zu reduzieren. Gleichzeitig wird in den äußeren Lagen durch Verwendung eines reaktiveren Harzsystems ausreichend Wärme erzeugt, um die inneren Lagen auszuhärten. Zur Erreichung des Ziels werden zunächst geeignete Harz-Härter Systeme ausgewählt und charakterisiert. Anschließend wird ein Simulationsmodell erstellt, das die Aushärtung von unterschiedlichen Harz-Härter Systemen und die entstehende Temperaturverteilung innerhalb eines Bauteils abbildet. Mithilfe eines Optimierungsalgorithmus wird dann aus dem Modell ein lagenweiser Infusionsplan für 15 mm, 30 mm und 60 mm dicke Probebauteile abgeleitet. Die Probebauteile werden anschließend mithilfe der am PuK vorhandenen Online-Prepreganlage und Heißpresse hergestellt. Dabei wird der Temperaturverteilung im Bauteil überwacht und das Simulationsmodell validiert. Die hergestellten Bauteile werden mechanischen Prüfungen unterzogen, um die Auswirkung der Verwendung unterschiedlicher Harz-Härter Systeme innerhalb eines Bauteils zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen