Die Geometriekorrektur von Faserverbundbauteilen auf Epoxidharzbasis im modifizierten Temperprozess - Prozessentwurf und Auswirkungen

Abstract

Die Kombination der Halbzeuge mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften und die notwendigen Aushärteprozesse in einem Formwerkzeug bringen bei Faserverbundbauteilen mit Duromermatrix Geometrieabweichungen mit sich. Ein großer Teil dieser Abweichungen kann durch Maßnahmen im Vorfeld reduziert werden. Dazu zählen die Optimierung der Temperaturführung im Aushärteprozess oder das gezielte Vorhalten der Abweichungen in der Werkzeuggeometrie. Trotzdem gibt es Anwendungsgebiete, wie die Herstellung von laminar umströmten Profilen oder von Strukturen mit sehr niedriger Radarsignatur, bei denen die bekannten Verfahren an ihre Grenzen stoßen. Dies gilt auch dann, wenn Komponenten derartiger bestehender Baugruppen ausgetauscht werden müssen. Daher ist es das Ziel, einen neuen Weg aufzuzeigen, wie Faserverbundbauteile mit Kunststoffmatrix mit sehr hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit gefertigt oder in ihrer Geometrie angepasst werden können. Darüber hinaus soll beurteilt werden können, inwieweit sich unterschiedliche Temperaturführungen bis zur vollständigen Aushärtung und auch der Verformungsprozess selbst auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes auswirken. Der gezielt herbeigeführte Übergang der Epoxidharzmatrix vom glasartigen in den gummielastischen Zustand während der Aushärtung bringt ein gewisses Potenzial zur plastischen Verformung von Faserverbundbauteilen in einem zweistufigen Aushärteprozess mit sich. Dies wird bisher in passiven Korrekturprozessen genutzt, bei denen die Verbundbauteile in starre Vorrichtungen gezwungen und dadurch verformt werden. So ist es allerdings weder möglich, eine bauteilindividuelle Korrektur vorzunehmen, noch können prozesskritische Werte, wie aufgebrachte Dehnungen oder der aktuelle Aushärtezustand, berücksichtigt werden. Die Fortschritte bei den Simulationsmethoden und insbesondere bei der Sensortechnik und Datenverarbeitung erlauben es nun, diesen Prozess aktiv und kontrolliert zu gestalten. Im Rahmen der Arbeit werden die dazu notwendigen Fähigkeiten aus dem Prozessentwurf abgeleitet und hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit unter den während der Aushärtung herrschenden Randbedingungen überprüft. Darüber hinaus werden die Verformungs- und damit verbunden auch die Schädigungsmechanismen beschrieben, um die Grenzen des Korrekturprozesses aufzeigen zu können. Am Beispiel eines glasfaserverstärkten Epoxidverbundes wird schrittweise experimentell untersucht, wie sich die Temperaturführung und die aufgebrachte Verformung im Temperprozess auf die Eigenschaften der Matrix, des Faser-Matrix-Interfaces und des Verbundwerkstoffes auswirken. Abschließend werden die prozessinduzierten Spannungen quantifiziert und bewertet, die durch eine solche Prozessführung im Laminat hervorgerufen werden. So gibt die Arbeit dem Leser einen neuartigen Prozessentwurf zur Herstellung geometrisch hochpräziser Faserverbundbauteile an die Hand und legt dabei sowohl die Grenzen als auch die damit verbundenen Vor- und Nachteile dar. Die Ergebnisse der Materialversuche bieten dem Leser Anhaltspunkte für den Entwurf von Aushärteprozessen im Spannungsfeld zwischen geometrischer Präzision und mechanischer Leistungsfähigkeit.