Moderne Flugzeuge lassen auch hinsichtlich der beabsichtigten Leichtbauweisen einen vermehrten Einsatz an kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als Werkstoff mit zukünftigen Gewichtsanteilen von über 60% erkennen. Die damit einhergehende Wirtschaftlichkeit des leichten Werkstoffes durch eine Senkung des Treibstoffverbrauchs wirkt den steigenden Treibstoffkosten entgegen und der damit verbundene Aspekt des geringeren CO2-Austsosses wirkt sich auch positiv auf den Umweltschutz aus. Zu den gewichtsspezifischen Eigenschaften zählen zudem die hohen Festigkeiten und Steifigkeiten von CFK. Auch das Forschungsprojekt HP CFK zielt darauf ab, einen Rumpfauschnitt eines Flugzeuges komplett aus CFK herzustellen. Die dafür angedachte Prozesskette zur Herstellung dieses Rumpfauschnittes muss zur optimalen Auslegung auf vorhandene prozessübergreifende Wechselwirkungen untersucht werden. Dadurch können die einzelnen Fertigungsprozesse aufeinander abgestimmt werden.
In dieser Arbeit werden die vorhandenen Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette durch Beschreibung der Prozesskette identifiziert. Im nächsten Schritt erfolgt während eines Workshops die Bewertung der erarbeiteten Wechselwirkungen, so dass die Auswahl der Wechselwirkung mit dem größten Einfluss auf die Bauteilqualität vorgenommen wird. Die anschließende Charakterisierung dieser Wechselwirkung beinhaltet die Untersuchung der in Wechselwirkung zueinander stehenden Fertigungsprozesse. Dabei werden Einflussgrößen beider Fertigungsprozesse auf ein gemeinsames Qualitätskriterium erarbeitet und modelliert. Diese gewonnen Ergebnisse werden bei der experimentellen Untersuchung der Wechselwirkung dazu genutzt, das Modell zu parametrieren und mittels der durchgeführten Versuche die Stärke des Einflusses auf das Qualitätskriterium zu ermitteln. Dazu werden aus den Prozessparametern Paarungen gebildet und diese untereinander variiert. Nach der Auswertung der durchgeführten Versuche liefert ein abschließender Vergleich der experimentell erzielten Ergebnisse mit den theoretischen Vorüberlegungen einen Überblick hinsichtlich einer Übereinstimmung des Einflusses der Einflussgrößen auf das Qualitätskriterium.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Faserverbundkunststoffe
2.1.1 Allgemeine Faserverbundwerkstoffe
2.1.2 Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
2.1.3 Duromere
2.1.4 Thermoplaste
2.1.5 Halbzeuge
2.2 Fertigungsverfahren
2.2.1 Handlaminieren
2.2.2 LCM-Verfahren
2.2.3 Tapelegen/ Automatic Fiber Placement
2.2.4 Autoklavtechnik
2.2.5 Pultrusion
2.2.6 Wickeltechnik
2.3 Prüfmethoden
2.4 Technologische Schnittstellen und Wechselwirkungen
3 Identifizierung von möglichen Wechselwirkungen
3.1 Prozesskette des Forschungsprojektes HP CFK
3.2 Identifizierung möglicher Wechselwirkungen innerhalb der Prozesskette
3.3 Auswahl der zu untersuchenden Wechselwirkung
4 Theoretische Analyse der Wechselwirkung Infusion/ Autoklav mit dem Qualitätskriterium Poren
4.1 Poren in CFK-Bauteilen
4.2 Einfluss des Infusionsprozesses auf Poren
4.3 Einfluss des Autoklaven auf Poren
5 Experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung
5.1 Versuchsaufbau
5.1.1 Harzsystem
5.1.2 Verstärkungsfasern
5.1.3 Wärme- und Trockenofen
5.1.4 Vakuumaufbau
5.2 Versuchsdurchführung
5.3 Versuchsauswertung
5.3.1 Beobachtungen und Erkenntnisse der Versuchsdurchführung
5.3.2 Einfluss des Vakuumdruckes nach der Infusion
5.3.3 Einfluss des Druckgradienten während der Infusion
5.3.4 Einfluss der Luftfeuchtigkeit
5.3.5 Einfluss des Umgebungsdruckes beim Aushärten
5.3.6 Einfluss der Infusionstemperatur
5.3.7 Einfluss der Fadenorientierung
5.3.8 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse
6 Abgleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Vorüberlegungen
6.1 Vergleich der Ergebnisse zu den Einflussgrößen Harzgeschwindigkeit/ Infusionstemperatur
6.2 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Prozessdruck
6.3 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Fadenorientierung
6.4 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Vakuumdruck nach der Infusion bzw. beim Aushärten
6.5 Vergleich der Ergebnisse zur Einflussgröße Luftfeuchtigkeit
6.6 Vergleich der Ergebnisse Umgebungsdruck beim Aushärten
6.7 Zusammenfassung
7 Zusammenfassung Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit identifiziert und charakterisiert technologische Schnittstellen und prozessübergreifende Wechselwirkungen innerhalb der CFK-Fertigungsprozesskette eines Demonstrators. Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Qualitätskriterium „Poren“ zu bestimmen, um durch eine optimale Abstimmung der Teilprozesse die Bauteilqualität gezielt zu steuern.
- Identifizierung von Wechselwirkungen zwischen Fertigungsprozessen (AFP, Umformen, Infusion, Aushärten)
- Theoretische Analyse der Porenbildung während Infusion und Autoklavprozess
- Experimentelle Untersuchung des Einflusses von Vakuumdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur
- Vergleich experimenteller Ergebnisse mit theoretischen Vorüberlegungen
- Methodik zur Bewertung und Auswahl dominanter Einflussfaktoren
Auszug aus dem Buch
4.2 Einfluss des Infusionsprozesses auf Poren
Bei der Infusion und allgemein bei den LCM-Verfahren steht die vollständige Durchtränkung der textilen Strukturen im Vordergrund. Somit sollen alle Räume zwischen den einzelnen Textillagen, sowie auch zwischen den Rovings bzw. Fäden aber auch innerhalb der Fäden selbst mit Harz gefüllt werden [KUE06]. Dabei kann es zu Lufteinschlüssen im Bauteil infolge voreilender Harzfronten kommen, die wiederum gewissen Abhängigkeiten ausgesetzt sind. Als Abhängigkeiten können die Harzgeschwindigkeit, der Prozessdruck, die Faden- und Preformstruktur bzw. der Faservolumengehalt und die Fadenanordnung bezogen auf die Harzfließfront genannt werden, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.
Beim Vorbereiten der Preforms für den Durchtränkungsprozess kann es zu Veränderungen in seiner Struktur kommen, so dass die Winkel zwischen den Fäden einer Veränderung während des Auflegens auf das Werkzeug unterliegen könnten. Zudem bewirkt der Vakuumabzug oder das Schließen des Formwerkzeugs eine gewisse Abnahme der Bauteildicke. Sollte die Preform nicht so aufgelegt werden, dass sie der durch das Werkzeug vorgegebenen Oberfläche folgt, kann es zudem zur Bildung von Leerstellen entlang scharfer Kanten der Preform kommen. Diese Veränderungen der Struktur können abhängig von der Festigkeit der Preform zu Veränderungen der Winkel zwischen den Kett- und Schussfäden, aber auch zu einem Verrutschen der Fäden und der damit einhergehenden Entstehung von Leerräumen zwischen den Fäden führen. Die dadurch entstehenden Veränderungen würden letztendlich den Harzfrontverlauf stark beeinflussen [GOU06, KRU98]. Dies wiederum kann dann einen ungleichmäßigen Harzfluss mit der Möglichkeit des Lufteinschlusses zur Folge haben, wodurch sich zwei Arten von Poren hinsichtlich ihrer Größe bilden können. Das sind zum einen Makroporen zwischen den Fäden und Mikroporen innerhalb der Fäden und somit zwischen den einzelnen Faserfilamenten [PAR10]. Aus Abbildung 4-1 geht hervor, dass ein Größenunterschied zwischen beiden Porenarten vorliegt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung motiviert den Einsatz von CFK in der Luftfahrt und definiert die Notwendigkeit, prozessübergreifende Wechselwirkungen zu verstehen, um eine fehlerfreie Fertigung sicherzustellen.
2 Stand der Technik: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen von Faserverbundkunststoffen, Fertigungsverfahren wie LCM, Tapelegen und Autoklavtechnik sowie Methoden zur Qualitätsbewertung.
3 Identifizierung von möglichen Wechselwirkungen: Hier wird die Prozesskette eines Demonstrators analysiert, um Wechselwirkungen zwischen den Fertigungsprozessen zu identifizieren und die relevanteste für die weitere Untersuchung auszuwählen.
4 Theoretische Analyse der Wechselwirkung Infusion/ Autoklav mit dem Qualitätskriterium Poren: Das Kapitel widmet sich der theoretischen Betrachtung von Porenbildungsmechanismen während der Infusion und der Aushärtung unter Berücksichtigung von Druck, Temperatur und Diffusion.
5 Experimentelle Untersuchung der Wechselwirkung: Hier wird der Versuchsaufbau, die Durchführung und die detaillierte Auswertung von Versuchen zur Beeinflussung des Porengehalts durch verschiedene Prozessparameter beschrieben.
6 Abgleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Vorüberlegungen: Dieser Abschnitt vergleicht die experimentell erzielten Daten mit der theoretischen Modellierung, um Übereinstimmungen oder Abweichungen in den Einflussgrößen aufzudecken.
7 Zusammenfassung Ausblick: Diese Zusammenfassung resümiert die Arbeit und gibt einen Ausblick auf die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Fertigungsprozesse.
Schlüsselwörter
CFK, Prozesskette, Poren, Infusion, Autoklav, Vakuumdruck, Porenbildung, Faserverbundkunststoffe, Prozessparameter, Harzgeschwindigkeit, Qualitätssicherung, Luftfeuchtigkeit, Fadenorientierung, Fertigungsverfahren, Durchtränkung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht prozessübergreifende Wechselwirkungen bei der Fertigung von CFK-Hochleistungskomponenten und deren Einfluss auf die Bauteilqualität, insbesondere hinsichtlich des Kriteriums „Poren“.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Felder sind die Prozesskettenoptimierung, die physikalischen Grundlagen der Porenbildung bei Infusions- und Autoklavprozessen sowie die experimentelle Validierung von Prozessparametern.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die technologischen Wechselwirkungen innerhalb der CFK-Fertigung zu identifizieren und die Auswirkungen von Prozessparametern zu charakterisieren, um eine optimale Abstimmung der Teilprozesse für eine fehlerfreie Fertigung zu ermöglichen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Die Arbeit kombiniert eine theoretische Analyse der Porenbildungsmechanismen mit einer experimentellen Versuchsreihe, deren Ergebnisse mittels Ultraschallprüfung ausgewertet und mit der Theorie abgeglichen werden.
Welche Inhalte dominieren den Hauptteil?
Den Kern bilden die systematische Identifizierung von Wechselwirkungen in der Prozesskette, die theoretische Herleitung der Einflüsse von Druck und Temperatur auf Poren sowie die detaillierte Auswertung experimenteller Parameterstudien.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind CFK, Poren, Infusion, Autoklav, Prozesskette, Vakuumdruck und Qualitätssicherung.
Warum spielt die Luftfeuchtigkeit bei der Infusion eine Rolle?
Die Arbeit zeigt, dass Luftfeuchtigkeit bzw. der Wassergehalt im Harz oder im Lagenaufbau zu Porenbildung führen kann, da Wasser während der Aushärtung diffundieren und Porendruck erzeugen kann.
Wie unterscheidet sich der Einfluss von Vakuumdruck und Umgebungsdruck?
Während der Vakuumdruck nach der Infusion maßgeblich die Lufteinschlüsse beeinflusst, dient ein erhöhter Umgebungsdruck im Autoklaven vor allem der Komprimierung des Laminats und der Vermeidung von Porenwachstum.
- Quote paper
- Labinot Jashari (Author), 2014, Auswahl und Charakterisierung einer spezifischen technologischen Schnittstelle und Wechselwirkung innerhalb einer CFK-Prozesskette, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/280111
