Elektrische Widerstandserwärmung im Preformprozess von flächigen Kohlenstofffaserhalbzeugen

Abstract

In dieser Arbeit wird das Prinzip der elektrischen Widerstandserwärmung von Kohlenstofffasern in Form von textilen Halbzeugen untersucht. Ziel ist die Erwärmung bzw. Aktivierung des Binders, der auf viele Kohlenstofffaserhalbzeuge appliziert ist. Die Bindertechnologie erlaubt eine effiziente und automatisierte Fertigung von Preforms (nicht imprägnierter textiler Vorformling). Bei dem in dieser Arbeit untersuchten Verfahren wird der elektrische Strom senkrecht zur Laminatebene durch die Kohlenstofffasern hindurch geleitet. Dies garantiert, insbesondere bei sehr dicken Lagenaufbauten, eine sichere Aktivierung des Binders in allen Lagen. Das Fasermaterial wird hierbei zwischen einer kleinen Elektrode und einem elektrisch leitenden Formwerkzeug kompaktiert. Es wird nachgewiesen, dass der Binder durch das Bestromen der Kohlenstofffasern schneller aktiviert werden kann, als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Der Grad der Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Kohlenstofffasern von den Eingangsparametern - Lagenanzahl, Temperatur, Kompaktierungsdruck und -zeit wird experimentell bestimmt. Aufbauend auf diesen Daten wird ein multiples Regressionsmodell erstellt, welches den Preformwiderstand in Abhängigkeit von den zuvor genannten Eingangsparametern berechnen kann. Darüber hinaus werden die sich ergebenden Temperaturen im Preform experimentell ermittelt. Diese Daten werden benutzt, um ein Wärmeübergangsmodell zu entwickeln, welches die Temperatur des Preform über der Dicke vorhersagen kann. Mit diesem Modell kann sichergestellt werden, dass eine vorher festgelegte Maximaltemperatur nicht überschritten wird. Prozessinduzierte Effekte, wie die lokale Kompaktierung des Preforms, werden quantifiziert und bewertet. Ausgehärtete CFK-Proben, deren Kohlenstofffasern zuvor bestromt wurden, zeigten keine Herabsetzung der Festigkeit oder Steifigkeit. Um den Binder punktuell zu aktivieren wird ein Endeffektor entwickelt, der das Prinzip der elektrischen Widerstandserwärmung mit einer Punktelektrode demonstriert. Für die Aktivierung ganzer Linien wird ein Endeffektor konstruiert und erprobt, der eine Rollelektrode beinhaltet. Beide Varianten werden in eine automatisierte Prozesskette integriert, um die Technologiereife unter produktionsnahen Bedingungen zu untersuchen.