Untersuchung des Verhaltens und der Verarbeitung von Thin-Ply Prepreg mittels Fertigungsversuchen und Parameterstudien

Abstract

Luft- und Raumfahrtkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen besitzen im Vergleich zu metallischen Materialien bessere spezifische mechanische Eigenschaften; andererseits weisen sie eine tendenziell geringere Schadenstoleranz auf. In den letzten Jahren erfuhren so genannte „Thin-Ply“ Materialien (besonders dünne Faserlagen) zunehmend Aufmerksamkeit, nicht zuletzt aufgrund ihrer Fähigkeiten, die Festigkeit bei verschiedenen Belastungen im Vergleich zu Faserverbundwerkstoffen mit herkömmlichen Lagendicken zu verbessern und Mikrorisse wirksam zu unterdrücken. Obwohl Thin-Ply Materialien bereits in einigen Komponenten der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, haben sie noch keine breite Anwendung in der automatisierten Fertigung gefunden. Bisher angewandte automatisierte Fertigungsverfahren resultierten in Qualitätsdefiziten. Die gegenwärtigen Risiken der automatisierten Fertigung mit Thin-Ply Materialien basieren auf einer bislang ungenügenden Forschung und damit verbundenen unzureichenden Erkenntnissen. Ziel dieser Arbeit ist es, das Potenzial der automatisierten Fertigung mit Thin-Ply Prepreg (vorimprägnierte Fasern) mittels einer Machbarkeitsstudie systematisch zu untersuchen. Dazu wird Thin-Ply Prepreg sowohl manuell als auch automatisiert per Automated Fiber Placement (AFP) abgelegt. Per Handablage werden Panels gefertigt, welche für zukünftige Zug- und Druckproben verwendet werden. Bei der AFP-Ablage werden verschiedene Verarbeitungsparameter variiert, um die Ablagequalität zu optimieren. Die Untersuchungen erfolgen sowohl im Versuchsmaßstab anhand einfacher Geometrien als auch an einem Demonstratorbauteil, welches komplexe Lagengeometrien aufweist. Aus den Erkenntnissen wird zudem ein industrielles Fertigungskonzept für die ebenfalls automatisierte Herstellung von Omega-Stringern erarbeitet. Die im Rahmen dieser Arbeit angefertigten Panels aus Thin-Ply Prepreg bieten die Grundlage für weitere Materialversuche. Sowohl bei der manuellen als auch bei der automatisierten Ablage wird festgestellt, dass die Haftung des Materials ohne Wärmeeinwirkung sehr gering ist. Erschwerend kommen bei der automatisierten Ablage Förderprobleme hinzu. Unter Berücksichtigung der durchgeführten Parameter-Optimierungen kann die Ablagequalität von Thin-Ply Prepreg per AFP dennoch gesteigert werden. Das vorgestellte Fertigungskonzept für Omega-Stringer reduziert die Komplexität deren Herstellung verbunden mit der Verwendung von Thin-Ply Prepreg. Es wird erwartet, dass die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse den Einsatz noch leistungsfähigerer Faserverbundwerkstoffe ebnen werden.