Von der Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik
der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus
zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation

Untersuchungen zur Entwicklung eines Faserpritzverfahrens zur Herstellung metallisch verstärkter Duroplaste

vorgelegt von Diplom Ingenieur Marcus Albrecht
Tag der mündlichen Prüfung: 28.11.2007

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Zielsetzung ... 1

2 Stand der Faserspritztechnik ... 7
2.1 Faserspritzverfahren ... 7
2.2 Verfahrenstechnische Grundlagen ... 10

3 Werkstoffe ... 16
3.1 Matrixwerkstoffe ... 17
3.2 Faserwerkstoffe ... 23
3.2.1 Natürliche Faserwerkstoffe ... 24
3.2.2 Synthetische/Anorganische Faserwerkstoffe ... 26
3.2.3 Metallische Faserwerkstoffe ... 28

4 Entwicklung des Faserspritzverfahrens für metallische Verstärkungsfasern ... 36
4.1 Konstruktionssystematik ... 36
4.1.1 Klärung der Aufgabenstellung ... 40
4.1.1.1 Untersuchungen zum Faserspritzen mit metallischen Fasern ...  42
4.1.1.2 Definition des Zerteilverfahrens ... 54
4.1.2 Anforderungsliste ... 58
4.1.3 Funktionsstruktur ... 61
4.1.4 Morphologischer Kasten ... 62
4.1.5 Technische Bewertung der Lösungsvarianten ... 65
4.2 Entwicklung der Schneideinheit ... 68
4.2.1 Technischer Entwurf ... 68
4.2.2 Entwicklung und Auslegung der Maschinenelemente ... 70
4.2.2.1 Berechnung des Antriebmotors ... 71
4.2.2.2 Berechnung der Antriebswelle ... 72
4.2.2.3 Berechnung der Kupplung ... 75
4.2.2.4 Berechnung der Zahnradpaarung ... 78
4.2.2.5 Berechnung der Spannsätze ... 80
4.2.2.6 Berechnung der Wälzlager ... 81
4.3 Entwicklung der Vorschubeinheit ... 83
4.3.1 Technischer Entwurf ... 83
4.3.2 Berechnungen und Annahmen zur Antriebsauslegung ... 85

5 Experimentelle Vorgehensweise zur Verifikation der Verfahrensentwicklung ... 90
5.1 Ergebnisse des Schneidsystems ... 90
5.1.1 Generelles Förder- und Schnittverhalten ... 91
5.1.2 Parameterermittlung für die Faserspritzanlage ... 95
5.2 Versuchsprogramm ... 97
5.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung ... 97
5.2.2 Definition des Matrix- und Faseranteils  ... 98
5.2.3 Versuchsmatrix ... 99

6 Versuchsergebnisse ... 101
6.1 Prozessverhalten ... 101
6.2 Faserlängenverteilung ... 102
6.3 Verschleißverhalten und Dauerbetrieb des Schneidsystems ... 107
6.4 Grundcharakterisierung der Schichteigenschaften ... 111
6.4.1 Schichtmorphologie ... 111
6.4.2 Mechanisch-Physikalische Schichteigenschaften ... 112
6.4.3 Vergleich der Schichteigenschaften mit konventionell fasergespritzten GFK-Schichten ... 120

7 Zusammenfassung und Ausblick ... 125

8 Formelzeichen und Abkürzungen ... 129

9 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ... 137

10 Literaturverzeichnis ... 140

11 Anhang ... 153

1 Einleitung und Zielsetzung

Durch ständig steigende Anforderungen an die Arbeitsgenauigkeit und Produktivität von Fertigungsverfahren sowie den sich verschärfenden Wettbewerb werden Fragestellungen zur Verwendung neuer Werkstoffe zunehmend aktuell. Kunststoffe, erst seit wenigen Jahrzehnten entwickelt und hergestellt, haben aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften und vielseitigen Verarbeitungs- und Anwendungsmöglichkeiten rasch eine immer stärker werdende Bedeutung erlangt. Es gibt kaum einen Zweig technischer Anwendungsgebiete, in dem sie heute nicht Eingang gefunden haben. Durch ihre Entwicklung wurden neue Industriezweige geschaffen und zum Teil die Bewältigung technischer Probleme, z. B. in der Hochfrequenz- und Nachrichtentechnik, überhaupt erst ermöglicht [Bar 94].

Eine besondere Stellung kommt in diesem Zusammenhang den faserverstärkten Kunststoffen zu, die besonders in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Kraftfahrzeugbau in den letzten Jahren bedeutende Produktinnovationen durch die Substitution metallischer Werkstoffe herbeiführen konnten. Der Vorteil dieser von [Ehr 99] als Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (FKV) definierten Werkstoffe liegt in den hervorragenden spezifischen Eigenschaften, wobei sie vorzugsweise für die Herstellung von leichten, hochfesten und steifen Bauteilen eingesetzt werden. Darüber hinaus werden in steigendem Maße nicht nur passive, sondern auch aktive, d. h. Energie übertragende und dämpfende Bauteile aus FKV gefertigt.

Ausgehend von den bereits erwähnten Anwendungen wurden in den letzten Jahren immer neue Einsatzgebiete für faserverstärkte Kunststoffe erschlossen. Wie in Abb. 1.1 dargestellt, bilden die klassischen Industriezweige heute zwar noch den Schwerpunkt dieser Werkstoffgruppe, jedoch zeigt die Abbildung eindeutig, dass zunehmend neue Marktsegmente erschlossen werden. Dies unterstreicht die enorme Marktentwicklung für FKV, die aufgrund dessen bereits Einzug in zahlreiche Anwendungen des täglichen Lebens gehalten haben [Wei 90, Pin 87, Mic 91, Ber 92].

Abb. 1. 1 ist in Downloaddatei enthalten.

Abb. 1.1: Marktsegmente von FKV [Nei 97, Fro 02]

FKV bestehen in ihrem Grundaufbau aus einer Materialkombination von Einbettungs- (z. B. Kunststoff-Matrix) und Verstärkungssystem (z. B. Faser). Diese Paarung sowie die Struktur der Anordnung sind im Wesentlichen ausschlaggebend für die Materialeigenschaften des Gesamtsystems. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass sich für nahezu jede Problemstellung durch die gezielte Werkstoffanpassung an die geforderten Eigenschaften „maßgeschneiderte“ Werkstoffe entwickeln lassen [Fro 00].

Im Hinblick auf das als Matrix bezeichnete Einbettungssystem finden zu geringeren Anteilen Thermoplaste Verwendung. Hierzu gehören unter anderem Polypropylen (PP) als Vertreter der Standard-, Polyethylentherephthalat (PET) als Vertreter der technischen und Polyetheretherketon (PEEK) als Vertreter der hochtemperaturbeständigen Thermoplaste [Fro 00-1, Fle 95, Zep 97]. Den deutlich größeren Anteil der Einbettungssysteme machen heutzutage jedoch die stark vernetzten Polymere aus. Zu diesem Kunststofftyp, der auch als Duroplast bezeichnet wird, zählen neben den ungesättigten Polyesterharzen (UP) auch die Vinylester- (VE), die Epoxid- (EP), die Phenol- (PH) und die Polyimidharze (PI).

In Bezug auf das Verstärkungssystem werden überwiegend anorganische bzw. synthetische Fasern (z. B. Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern) und natürliche Polymere (z. B. Viskosefasern) verwendet. Dabei wird im Allgemeinen ein Werkstoff als Faser definiert, wenn das Verhältnis Länge zu Durchmesser sehr viel größer als eins ist.

Die eigentliche Herstellung von FKV-Teilen bedient sich verschiedener Fertigungsverfahren, wobei das Faserspritzverfahren als ein einfaches Formgebungsverfahren für die Verarbeitung von faserverstärkten Harzen weit verbreitet ist. Im Vergleich zum Handlaminieren, bei dem die Verarbeitung von Harz und Faser schichtweise (diskontinuierlich) erfolgt, stellt dieses Verfahren eine halbautomatisierte Weiterentwicklung dar, in der die Werkstoffkomponenten „quasi“-kontinuierlich gemischt und auf ein Formwerkzeug aufgebracht werden. Der Prozess zur Fertigung eines Bauteils erfolgt dabei derart, dass geschnittene Glasfasern mit einer Faserlänge von in der Regel 20 bis 50 mm durch eine niedrigviskose Matrix (häufig preisgünstiges Polyesterharz) in der Flugphase benetzt und auf das Formwerkzeug aufgesprüht werden, um somit in einem Arbeitsgang komplexe, dreidimensionale Bauteile zu erzeugen. Die Dicke der Faserschicht lässt sich durch stärkeren oder geringeren Faserauftrag auf bestimmte Flächen in vordefinierter Weise variieren. Durch das Faserspritzverfahren können somit großflächige Bauteile wirtschaftlich und durch Aufbau beliebiger Wandstärken belastungsgerecht hergestellt werden. Dabei werden Faser und Matrix in einem Verarbeitungsschritt aufgetragen, wodurch der Zuschnitt von Hand sowie die Einlage von Fasermatten, Geweben oder Vliesen im Vergleich zu anderen Verfahren entfällt.

Neuste Untersuchungen zielen darauf ab, neben der weit verbreiteten Verarbeitung von Glasfasern, alternative Verstärkungsfasern mit dem Faserspritzverfahren aufgrund von Kosten-, Umwelt- oder Festigkeitsaspekten zu verarbeiten [Föl 95, Mie 95, Wut 94, Mic 92-2]. Hier gewinnen beispielsweise seit kurzem in der industriellen Praxis Naturfasern wie Flachs- und Hanffasern zur Armierung von Kunststoffen mittels des Faserspritzverfahrens zunehmend an Bedeutung.

Vor dem Hintergrund, dass eine Einlagerung von Fasern in eine Kunststoffmatrix im Sinne einer gezielten Werkstoffanpassung jedoch auch erfolgen kann, um besondere Eigenschaften einzustellen, blieben bislang Überlegungen zur Substitution der klassischen Glasfasern durch metallische Werkstoffe weitgehend unberücksichtigt. Vor diesem Hintergrund stellt die Einlagerung metallischer Fasern in ein polymeres Matrixsystem mit Hilfe des Faserspritzens einen bislang nur wenig untersuchten Bereich dar. Die Vorteile derartig erzeugter Schichtsysteme sind jedoch nahe liegend, da metallische Fasern aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften wie z. B. Festigkeit, Bruchverhalten, Duktilität, usw. aber auch aufgrund der physikalischen Eigenschaften wie z. B. Leitfähigkeit, Strahlungsabsorption, Magnetisierbarkeit, etc. im Vergleich zu Glasfasern deutliche Vorteile bieten.

Darüber hinaus erlaubt das Faserspritzen eine einfache Verarbeitung der beiden Komponenten und ist gleichzeitig aufgrund der Halbautomatisierung geeignet, komplexe Geometrien in der Klein- und Mittelserienfertigung darzustellen. Vor diesem Hintergrund ist die Kombination, d. h. ein fasergespritztes Schichtsystem auf Basis einer duroplastischen Kunststoffmatrix mit eingelagerten Metallfasern unter Nutzung der jeweiligen Vorteile, im Hinblick auf neue technische Anwendungen und Einsatzbereiche eine viel versprechende Werkstoff- und Verfahrensinnovation, welche im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit detailliert untersucht wird.

Gliederung der Arbeit

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Grundlagen für den Aufbau von Werkstoffsystemen aus Polymermatrix und Metallfaser zu schaffen. Hierzu ist zunächst innerhalb des Faserspritz-Prozesses die Endlosfaserzuführung, der eigentliche Schneidprozess und der Faseraustrag zu analysieren. Auf dieser Basis ist der Prozess für metallische Fasern unter dem Aspekt der technischen

Realisierbarkeit zu untersuchen. Mit Blick auf die System- und Prozessstabilität gilt es in einem weiteren Schritt, den Faserspritz-Prozess für metallische Verstärkungswerkstoffe unter Anwendung einer geeigneten Konstruktionssystematik neu zu entwickeln und experimentell zu verifizieren. Am Ende dieser Arbeit steht ein neu entwickeltes, funktionstüchtiges Faserspritzverfahren für metallische Fasern einschließlich eines erweiterten Prozessverständnisses, welches eine Bewertung des hier vorgestellten Verfahrens hinsichtlich der Möglichkeiten und Grenzen in Bezug auf die Anwendbarkeit und die Maschinentechnik erlaubt. Hierzu wird in den nachfolgend beschriebenen Schritten vorgegangen:

1. Mittels ausführlicher Literaturrecherche wird der Stand der technologischen Entwicklung des Faserspritzens beschrieben sowie die verfahrenstechnischen Grundlagen vorgestellt (Kap. 2). Anschließend werden die bislang im Einsatz befindlichen klassischen Matrix- und Faserwerkstoffe vorgestellt. In Abgrenzung zu diesen Verstärkungsfasern werden die grundlegenden Unterschiede zu metallischen Werkstoffen erläutert, um hierauf aufbauend verschiedene metallische Werkstoffe auf Basis ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften und Verfügbarkeit als Faserkomponente für die weiteren Versuche auszuwählen (Kap. 3).

2. Im Anschluss an die technologischen und werkstoffkundlichen Grundlagen ist die eigentliche Verfahrensentwicklung für metallische Fasern vorgesehen (Kap. 4). Hierzu sind die Auswirkungen eines Wechsels auf Metallfasern im Hinblick auf die Prozesse der Zuführung, des Zerteilens, der Vereinzelung und des Austrags sowie auf das vorhandene Schneidsystem zu untersuchen, zu analysieren und grundlegend neu zu entwickeln. Dazu werden neben konstruktiven Aspekten Fragestellungen des Dauerbetriebes einschließlich des Verschleißes untersucht. Das Ziel besteht in der Sicherstellung eines im Dauerbetrieb funktionstüchtigen Schneidsystems zum Fördern und Trennen unterschiedlicher Metallfasern in reproduzierbarer Qualität.

3. In einem weiteren Schritt ist ein Versuchsprogramm, das der Verifikation des neu gestalteten Spritzprozesses dient, zu entwickeln. Dieses Programm muss in seinem Aufbau und in der Durchführung gewährleisten, dass unterschiedliche metallische Fasern in verschiedenen Dicken und zusätzlich - auf Basis der bereits gewonnenen Erkenntnisse - relevante Prozessparameter innerhalb des Faserspritzprozesse variiert werden können, um den Einfluss auf die Schichtausbildung zu untersuchen (Kap. 5).

4. Anschließend ist die Verifikation des neu entwickelten Schneidsystems für metallische Fasern im Hinblick auf die Stabilität des Gesamtprozesses innerhalb einer realen Faserspritzanlage gemäß Versuchsprogramm vorgesehen (Kap. 6). Mit den bekannten Methoden der Werkstoffanalyse sollen die erzeugten Schichtsysteme charakterisiert werden, um hierauf aufbauend die Einflüsse der Parametervariationen in ihrer Wirkung auf die Eigenschaften gezielt untersuchen und Vergleiche mit konventionell fasergespritzten GFK-Bauteilen anstellen zu können.

5. In einer Zusammenfassung sollen am Ende der Arbeit schließlich die entscheidenden Erkenntnisse resümiert und ein Ausblick hinsichtlich der Überführung in die betriebliche Praxis sowie weiterführende Entwicklungen vorgestellt werden (Kap. 7).

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