Durch die Herstellung und Verarbeitung von Formteilen aus faserverstärkten Kunststoffen werden neue Anforderungen an die Pressentechnik gestellt. In dieser Arbeit werden verschiedene Pressentypen analysiert und überprüft, welche Pressen für die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen geeignet sind. Es wird ein Überblick über die Vielzahl unterschiedlicher Verarbeitungsverfahren vermittelt und verfahrensspezifische Prozessparameter werden diskutiert, anschließend werden aus den gewonnenen Erkenntnissen Anforderungen für die Pressentechnik abgeleitet. Anhand dieser Anforderungen wird ein Vergleich von Pressen mit unterschiedlichen Wirkprinzipien durchgeführt, um für ein zuvor ausgewähltes Herstellungsverfahren ein optimales Pressensystem auszuwählen. Zusätzlich werden Potenziale und Einsatzgebiete einer Mehrtechnologiepresse (3D-Servo-Presse), die für die Metallblechumformung entwickelt wurde, aufgezeigt. Darüber hinaus wird für die Herstellung spezieller Formteile, die mehrere Freiheitsgrade erfordern, ein Werkzeugkonzept für die 3D-Servo-Presse präsentiert.
Inhaltsverzeichnis
1. Unternehmensvorstellung der Robert Bürkle GmbH
2. Einleitung
3. Vorgehensweise
4. Stand der Technik
4.1. Verbundwerkstoffe
4.1.1. Die Matrix
4.1.2. Die Verstärkungsfasern
4.2. Thermoplastische Verbundwerkstoffe
4.2.1. Eigenschaften thermoplastischer faserverstärkter Kunststoffe
4.2.2. Herstellungsverfahren für Formteile aus Organoblech
4.2.3. Trend der Technik
4.3. Duroplastische Verbundwerkstoffe
4.3.1. Eigenschaften duroplastischer faserverstärkter Kunststoffe
4.3.2. Herstellungsverfahren für Formteile aus duroplastischer Matrix
4.3.3. Das Resin Transfer Molding-Verfahren (RTM-Verfahren)
4.3.4. Trend der Technik
4.4. Vergleich der Prozesse zur Verarbeitung der beiden Werkstoffklassen
5. Anforderungen an die Pressentechnik
5.1. Notwendiges Kraftspektrum der Presse für den RTM-Prozess
5.2. Kompensation der Stößelkippung infolge exzentrischer Lasten
5.3. Anforderungen an die Regelung
6. Auswahl des Pressenkonzeptes
6.1. Vergleich von Servo- und Hydraulikpressen
6.2. Auswahl eines Pressentyps bei gegebenem Szenario
7. Darstellung eines sinnvollen Nutzungsszenarios für die 3D-Servo-Presse
7.1.1. Werkzeugkonzept für spezielle Bewegungsabläufe
7.1.2. Einsatzgebiete der 3D-Servo-Presse
8. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist es, die Eignung verschiedener Pressensysteme für die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen zu analysieren und ein optimales Pressenkonzept für spezifische Herstellungsverfahren, insbesondere den RTM-Prozess, zu identifizieren und dessen Potenziale sowie Anwendungsszenarien zu bewerten.
- Analyse und Vergleich verschiedener Pressentypen (Servo- vs. Hydraulikpressen)
- Untersuchung von Verarbeitungsverfahren für thermoplastische und duroplastische Faserverbundwerkstoffe
- Ableitung technischer Anforderungen an Pressen zur Verarbeitung von Faserverbunden
- Erforschung der Einsatzpotenziale einer 3D-Servo-Presse (3DSP)
- Entwicklung eines Werkzeugkonzepts für komplexe Bewegungsabläufe unter Nutzung der 3DSP-Kinematik
Auszug aus dem Buch
4.2.2.1. Vorgänge in Thermoplastlaminaten bei der Umformung
Beim Thermoformen erfolgt die Ausformung der dreidimensionalen Bauteilgeometrie nicht durch Fließen des Materials, sondern ausschließlich durch das Drapieren der Verstärkerstruktur, meist ein Gewebe. Hierbei wird unter Drapierung die sphärische Verformbarkeit von textilen Flächengebilden ohne Faltenbildung verstanden. Das Verfahren ist großserientauglich, die Formteile sind allerdings in ihrer Geometrie eingeschränkt und es sind hauptsächlich nur schalenförmige Geometrien möglich [6], [10].
Während eines Umformprozesses des Gewebes treten verschiedene Effekte auf, die in Abbildung 4 aufgezeigt werden.
Die Gewebestreckung ist von Gewebematerial sowie der Gewebedicke abhängig. Außerdem haben auch die Anzahl der Filamente (Fasern mit nahezu unbegrenzter Länge) und die Fadendicke einen Einfluss auf die Gewebestreckung. Die durch BREUER [16] gemessenen Werte der Gesamtstreckung haben ergeben, dass die Streckung mit 1 % der Gesamtlänge sehr gering ist, dadurch ergibt sich ein vernachlässigbarer geometrischer Einfluss auf die Umformbarkeit von Organoblechen. Dies wurde durch HÖRSTING [17] bestätigt.
Ein weiterer Effekt ist das interlaminare Gleiten. Es handelt sich dabei um einen für die Umformung von Organoblechen sehr wichtigen Vorgang, da bei der Biegeumformung durch interlaminares Gleiten Faserknicken und/oder -bruch sowie Delamination verhindert wird. Interlaminares Gleiten kann durch negative äußere Bedingungen während des Umformvorgangs behindert werden [18]. Bei allen genannten Merkmalen ist außerdem mit einer Beeinträchtigung der lokalen Bauteilfestigkeit und Bauteilsteifigkeit zu rechnen. Dieser Effekt wurde bereits mehrfach untersucht, wie beispielsweise von SCHERER [19]. SCHERER untersuchte anhand einer theoretischen Modellierung zur Beschreibung des Zwischenlagenabgleitens mit Auszugversuchen einzelner Lagen den Einfluss unterschiedlicher Umformbedingungen wie Auszuggeschwindigkeit, Temperatur oder Lagenaufbau. Aber auch HOU [20] untersucht die negativen Einflüsse, die interlaminares Gleiten verhindern können.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Unternehmensvorstellung der Robert Bürkle GmbH: Das Kapitel gibt einen Überblick über die Historie, das Produktportfolio und die Innovationsausrichtung des mittelständischen Unternehmens Robert Bürkle GmbH.
2. Einleitung: Diese Sektion erläutert die Relevanz von Faserverbundwerkstoffen im Kontext von Emissionsvorgaben und Leichtbaubestrebungen und definiert das Ziel, optimale Pressensysteme für deren Verarbeitung zu finden.
3. Vorgehensweise: Hier wird der methodische Weg beschrieben, von der Definition der Werkstoffe über die Anforderungsanalyse an Pressen bis hin zur Bewertung von 3D-Servo-Pressen im Vergleich zu Hydraulikpressen.
4. Stand der Technik: Dieser umfangreiche Teil deckt die Grundlagen zu Verbundwerkstoffen, spezifische Eigenschaften und Verarbeitungsverfahren für thermoplastische und duroplastische Matrices sowie aktuelle Trends in der Technik ab.
5. Anforderungen an die Pressentechnik: Hier werden technische Parameter wie Kraftspektren, Kompensationsmöglichkeiten für exzentrische Lasten und Anforderungen an die Regelung für den RTM-Prozess definiert.
6. Auswahl des Pressenkonzeptes: In diesem Kapitel werden Servo- und Hydraulikpressen verglichen und eine Nutzwertanalyse zur Auswahl des geeigneten Pressentyps für ein gegebenes Szenario durchgeführt.
7. Darstellung eines sinnvollen Nutzungsszenarios für die 3D-Servo-Presse: Dieses Kapitel präsentiert Potenziale der 3D-Servo-Presse, inklusive eines innovativen Werkzeugkonzepts für Walkbewegungen und deren Einsatzgebiete.
8. Zusammenfassung und Ausblick: Diese Sektion fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Marktentwicklung von Faserverbundwerkstoffen und die Rolle der Servopressentechnik.
Schlüsselwörter
Faserverbundwerkstoffe, GFK, CFK, Pressentechnik, RTM-Verfahren, Thermoformen, Organobleche, 3D-Servo-Presse, Hydraulikpresse, Werkzeugkonzept, Umformung, Matrixsysteme, Prozessparameter, Leichtbau, Nutzwertanalyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht den Einsatz verschiedener Pressentypen für die Verarbeitung von faserverstärkten Kunststoffen (GFK/CFK), um Anforderungen zu identifizieren und optimale Pressensysteme für spezifische Herstellungsverfahren auszuwählen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind der Vergleich von thermoplastischen und duroplastischen Verbundwerkstoffen, die Analyse verschiedener Pressverfahren sowie die technische Evaluation der 3D-Servo-Presse gegenüber hydraulischen Presssystemen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, einen Überblick über Verarbeitungsverfahren zu gewinnen, Anforderungen an die Pressentechnik abzuleiten und zu prüfen, ob die 3D-Servo-Presse als flexible Mehrtechnologiemaschine für diese Anforderungen geeignet ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt eine Literaturrecherche zum Stand der Technik, leitet daraus Anforderungen an die Pressentechnik ab und bewertet zwei Pressensysteme mittels einer Nutzwertanalyse nach HOLZBAUR.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit den Grundlagen von Verbundwerkstoffen, der Definition von Anforderungen an die Pressentechnik (Kraftspektren, Regelung) und der vergleichenden Nutzwertanalyse der Pressensysteme.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Faserverbundwerkstoffe, RTM-Verfahren, Organobleche, 3D-Servo-Presse, Umformung und Nutzwertanalyse.
Welche Vorteile bietet die 3D-Servo-Presse laut der Arbeit?
Die 3D-Servo-Presse bietet durch ihre spezielle Kinematik und die unabhängigen Antriebe eine hohe Flexibilität, ermöglicht die Kompensation außermittiger Lasten sowie die Realisierung komplexer Bewegungsabläufe wie die Walkbewegung.
Warum wurde in der Nutzwertanalyse die Hydraulikpresse favorisiert?
Die Hydraulikpresse schnitt in der Nutzwertanalyse aufgrund der Erfahrungen bei der Robert Bürkle GmbH, der einfacheren Konstruktion und der geringeren Investitionskosten leicht besser ab als die 3D-Servo-Presse.
Welches konkrete Werkzeugkonzept wird für die 3D-Servo-Presse vorgestellt?
Es wird ein optimiertes Walkwerkzeug vorgeschlagen, das durch eine linear gelagerte Werkzeugoberhälfte die aus der Rotation resultierende translatorische Bewegung kompensiert, um Laminatschäden bei der Umformung zu vermeiden.
- Citation du texte
- Marco Schaible (Auteur), 2013, Der Einsatz von Pressen für die Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen: GFK-/CFK Strukturen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/286012
