Erweiterung des Thermoformprozesses mittels automatisierter Co-Konsolidierung von CF/PPS Organoblechen (Masterarbeit)

Abstract

Thermoformen ist eine Umformtechnik, die zur Herstellung von dünnwandigen Leichtbaustrukturen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden verwendet wird. Hierfür werden insbesondere Hochleistungskunststoffe, wie beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS) eingesetzt. Um konzentrierte Belastungen an thermogeformten Bauteilen auszugleichen, werden häufig Verstärkungselemente angebracht. Fügetechniken, die dabei zum Einsatz kommen, sind Verschrauben, Nieten, Bolzen, Kleben oder Schweißen. Ein solcher Prozessschritt wird an den Thermoformprozess angehängt und wirken sich negativ auf die Fertigungsdauer und -kosten aus. Zusätzlich wird durch den Einsatz von mechanischen Verbindungselementen das Gewicht der Faser-Kunststoff-Struktur erhöht. Das Co-konsolidieren thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde ist eine effiziente Methode, um Verstärkungselemente ohne Zwischenglied anzubringen. Durch die Integration der Fügetechnik in den Herstellungsprozess wird die Produktionsdauer verkürzt und die -kosten gesenkt. Ziel dieser Forschungsarbeit sind die Erstellung eines automatisierten Thermoformprozesses mit integrierter Co-Konsolidierung eines Verstärkungselementes und die Optimierung der Prozessparameter Pressdruck und Materialtemperatur anhand der Anbindungs- und Bauteilqualität. Außerdem soll mittels einer ESI PAM-FORM-Prozesssimulation, das Materialabkühlverhalten bis zum Eintritt der Formgebung untersucht und Prozessverbesserungsansätze gefunden werden. Zur Herstellung der Probekörper werden Zuschnitte aus kohlenstofffaserverstärkten Polyphenylensulfid-Organoblechplatten angefertigt, aufgeheizt und durch eine Wickert WKP 4 400 S Composite Presse thermoverformt. Die Variation der Prozessparameter erfolgt auf Basis einer statischen Versuchsplanung im Central Composite Design. Zur Qualitätskontrolle dient eine visuelle Prüfung der Bauteiloberfläche sowie eine Mikroskopie und eine wassergekoppelte Ultraschallprüfung der co-konsolidierten Fügezone. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit haben die Machbarkeit eines Thermoformprozesses mit integrierter Co-Konsolidierung eines Verstärkungselementes auf Basis eines kohlenstofffaserverstärkten Hochleistungsthermoplasten aufgezeigt. Über ein breites Prozessfenster hinweg konnte eine gute Anbindung erreicht werden. Die beste Bauteiloberflächenqualität innerhalb des Faktorraums wurde erzielt, indem die Materialtemperatur minimiert und der Pressdruck maximiert wurde. Anhand der Prozesssimulation konnten Prozessschwierigkeiten ermittelt und Verbesserungsansätze gefunden werden.