Untersuchung des Aushärteprozesses von Kunstharz mit akustischen Oberflächenwellen (Masterarbeit)

Abstract

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoò (CFK) ist ein Verbundwerkstoff, der aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Stabilität bei gleichzeitig geringer Masse eine nach wie vor wachsende Bedeutung in Luft- und Raumfahrt, beim Fahrzeugbau, in Windkraftanlagen sowie im Anlagen- und Maschinenbau besitzt. Bei der Herstellung erreicht das Bauteil seine vorteilhaften Eigenschaften erst durch die Aushärtung des Kunstharzes, welches die Kohlenstoòfasern umgibt. Für im industriellen Maßstab gefertigte Komponenten ist neben der Kontrolle der Harzausbreitung im Bauteil auch die Überwachung des Aushärteverlaufs von großem Interesse, da man sich sonst nur an den vom Harzhersteller empfohlenen Temperaturund Prozesszeiten orientieren kann. Mithilfe adäquater Sensorik lässt sich der Aushärteprozess in Echtzeit nachverfolgen, sodass beispielsweise Energiekosten eingespart werden können und Aussagen über die Reproduzierbarkeit und Bauteilqualität ermöglicht werden.Neben Labormethoden, die sich nicht für die Integration in der industriellen Anwendung eignen, gibt es bereits etablierte Methoden (thermisch, elektrisch, akustisch, optisch), die mit gewissen Vor- und Nachteilen behaftet sind. Ein komplett neuer Ansatz für die Erfassung der Aushärtung, der im Rahmen einer Kooperation des DLR und des Lehrstuhls für Experimentalphysik I entstanden ist, sind akustische Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, SAW), bei denen eine mechanische, hochfrequente Oberflächenschwingung mit dem zu untersuchenden Material wechselwirkt. Aufgrund ihrer hohen Sensitivität gegenüber mikroskopischen Prozessen ûnden SAW-Sensoren Verwendung in einem extrem breit gefächerten Anwendungsgebiet, das von der Untersuchung von Quantenphänomenen über Gas- und Flüssigkeitssensorik bis hin zur Beeinflussung biophysikalischer Prozesse reicht. Ein entscheidender Vorteil von SAW-Sensoren gegenüber den konventionellen Methoden ist die hochfrequente, elektrische Anregung, da dadurch die Möglichkeit der kabellosen Integration, z.B. in einen Fertigungsprozess gegeben ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand eines bei Raumtemperatur härtenden Harzes (RIM135) und eines warmhärtenden Harzes (RTM6) untersucht, wie sich der Aushärteprozess auf die Messsignale eines SAW-Sensors (Amplitude und Phase) auswirkt. Zusätzlich zu diversen Laborversuchen werden optimierte Sensoren in die Prozessumgebung bei der Fertigung von Testbauteilen integriert und deren Ergebnisse mit dem kommerziell erhältlichen System der dielektrischen Analyse (DEA) der Firma NETZSCH verglichen. Ansätze, welche die beobachteten Kurvenverläufe erklären, werden vorgestellt. Das enorme Potential der Sensoren wird abschließend an biophysikalischen Untersuchungen zur Zelladhäsion und Zellmigration demonstriert.