Untersuchungen zum Spaltimprägnierverfahren für die großserientaugliche Fertigung von Strukturbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) mit einem hohen Anteil kraftflussorientierter Verstärkungsfasern verfügen über hohe gewichtsspezifische mechanische Eigenschaften. Nachteilig sind die hohen Fertigungskosten und die langen Taktzeiten der Fertigungsverfahren. Die hier vorgestellte Verfahrens- und Anlagentechnik für das Spaltimprägnierverfahren ermöglicht kurze Taktzeiten von ca. 6 min. Dies wird im Wesentlichen durch eine schnelle Imprägnierung und die Verarbeitung eines hoch reaktiven Harzsystems mit kurzen Aushärtezeiten erreicht.
Es werden Formfüllstudien an ebenen, monolithischen Bauteilen und gekrümmten Sandwichbauteilen in Spaltimprägnierwerkzeugen mit transparenten Formeinsätzen vorgestellt. Hierbei wird der Einfluss der Fließspalthöhe, den Preformeigenschaften und der Angussgestaltung auf die Fließfrontausbreitung während des Imprägniervorgangs gezeigt.
Darauf aufbauend werden Fertigungsstudien mit heiß härtenden Epoxidharzen durchgeführt. Hierfür werden verschiedene Laborwerkzeuge entwickelt. Die Fertigungsstudien ermöglichen die Auswahl eines geeigneten Preformingverfahren zur Fixierung der einzelnen Verstärkungstextilien. Unter Verwendung eines thermoplastischen Bindervlieses werden Preforms mit Glas- und Kohlenstoffasern, unterschiedlichen Verstärkungstextilien und unterschiedlichen Dicken aufgebaut und imprägniert. Neben ebenen Bauteilen wird auch die Fertigung von gekrümmten Sandwichbauteilen mit integrierten Krafteinleitungselementen untersucht. Die Ergebnisse zeigen die Zusammenhänge zwischen den Preformeigenschaften, den Prozessparametern und –größen sowie der Bauteilqualität.
Zur Analyse der Preformimprägnierung wird ein neues Messsystem entwickelt, das eine kontinuierliche Messung des Grads der Imprägnierung an diskreten Positionen eines Glasfaserpreforms ermöglicht.
Basierend auf diesen grundlegenden Ergebnissen, werden eine neue Anlagen- und Werkzeugtechnik entwickelt, die eine wissenschaftliche Analyse des Verfahrens bei großserientauglichen Taktzeiten ermöglicht. Die Anlage ermöglicht die Fertigung von monolithischen Bauteilen und Sandwichbauteilen mit maximalen Abmessungen von ca. 1,5 x 1,5 m2. Am Beispiel von monolithischen Bauteilen wird gezeigt, dass sich mithilfe der Anlage Bauteile in Taktzeiten von 360 s fertigen lassen. Die darin enthaltenen Vorbereitungsschritte erfordern nur ca. 170 s, lediglich 14 s entfallen auf den Injektions- und Kompressionsvorgang.