Mechanisms, influencing factors and manufacturing implication of prepreg tack in automated fiber placement

Abstract

Im Bestreben, technologische und wirtschaftliche Herausforderungen im Zusammenhang mit der kosteneffizienten Produktion von Faserverbundbauteilen in Hochlohnländern zu bewältigen, wurden in den letzten Jahrzehnten automatisierte Fertigungstechnologien in einer Vielzahl von Branchen eingeführt. Im Luftfahrtsektor ist das Automated Fiber Placement (AFP) eine etablierte Fertigungstechnologie zur effizienten Herstellung von großformatigen, hochbelasteten Faserverbunden aus Kohlefaser/Epoxid-Prepregs. Obwohl das Verfahren seit den späten 1980er Jahren den Stand der Technik im Flugzeugbau darstellt, ist es anfällig für Fertigungsfehler, die häufig auf eine unzureichende Haftung der Prepregs zurückzuführen sind – eine Materialeigenschaft, die gemeinhin als Prepreg-Tack bezeichnet wird. In der Forschungsliteratur wurde die Klebrigkeit von Prepregs in der Vergangenheit aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht, wobei sowohl unterschiedliche Materialien als auch Messverfahren zum Einsatz kamen. In der Folge ist ein Vergleichbarkeits- und Übertragbarkeitsdefizit zu verzeichnen, während es Hinweise dafür gibt, dass es sich bei Prepreg-Tack um ein komplexes Phänomen handelt, welches holistische Betrachtung erfordert. In dieser Arbeit werden daher die zugrundeliegenden Mechanismen (Oberflächenbenetzung, Autohäsion, Kontaktausbildung), prozess- und umweltbedingte Faktoren (Alterung, Kompaktierungsdruck, Legegeschwindigkeit, Temperatur), Materialkriterien (Harztyp, Zäh-modifizierung, B-Staging), messtechnische Effekte (Stempel- und Schältest) sowie fertigungsrelevante Implikationen des Prepreg-Tacks im AFP eingehend untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Klebeeigenschaften von allen untersuchten Faktoren signifikant beeinflusst werden. Die Einflüsse konnten auf Veränderungen der Prepregeigenschaften zurückgeführt werden, die durch umfassende ergänzende Materialanalyse offengelegt wurden. Die eingesetzten Messverfahren erwiesen sich als geeignet für die Messung der Prepreg-Klebrigkeit in Bezug auf Reproduzierbarkeit und die Fähigkeit, zugrundeliegende Haftmechanismen zu erklären. Einschränkungen ergaben sich jedoch in Hinblick auf die messtechnische Repräsentation der AFP-Prozessparameter. Daher wurde die fertigungstechnische Reichweite des Prepreg-Tacks mithilfe eines semi-empirischen AFP-Prozessmodells bewertet, das die charakteristischen glockenförmigen Klebrigkeitskurven als Funktion der Materialtemperatur für verschiedene Fertigungsszenarien erfolgreich reproduzierte. Darüber hinaus wurden experimentell begründete und modellgestützte Empfehlungen zur Anpassung von Formulierungen für thermoplastisch schlagzähmodifizierte Prepregs auf Epoxidharzbasis in Hinblick auf die Klebrigkeit erarbeitet. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse bieten dadurch eine fundierte Grundlage für Prozessanpassungen, um die Anforderungen an die Klebrigkeit von Prepregs zu erfüllen und somit das Risiko von Laminatdefekten während der automatisierten Prepregablage zu reduzieren.