Entwicklung von Hybrid-Preforms für belastungsgerechte CFK-Strukturen mit thermoplastischer Matrix

Die Einsatzbereiche der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe für Leichtbauanwendungen sind in den vergangenen Jahrzehnten stetig gewachsen. Für zukünftige Anwendungen besteht die Herausforderung auch für komplexe Bauteilkonturen das Leichtbaupotenzial der Kohlenstofffasern effizient auszunutzen. Insbesondere für den wirtschaftlichen Einsatz von vergleichsweise teuren Hochleistungswerkstoffen sind neben schnellen Fertigungszeiten, eine verschnittfreie Produktion und die Möglichkeit konstruktiver Materialeinsparung durch eine belastungsgerechte Faserablage von hoher Bedeutung. Für leistungsfähige thermoplastische Matrixsysteme lassen sich diese bislang jedoch nur schwer einhalten.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Hybrid-Preforms für belastungsgerechte CFK-Strukturen mit thermoplastischer Matrix. Für die Fertigung der materialhybriden Textilien werden in dieser Dissertationsschrift das Tailored Fibre Placement (TFP) - Verfahren und die Entwicklungsschritte für ein mit MagSilica textsuperscript textregistered nanomodifiziertes CF-PEEK-Hybridgarn sowie für eine induktiv aktivierte Faserablage vorgestellt.

Mit dem Einsatz von Zylinderspulen wurden mittels Induktion Aufheizraten von 680 K/s zwischen Raumtemperatur und 360 ^ circ C erzielt, so dass sich Faserlegeköpfe mit einer kleinen Bauform umsetzen lassen. Die konstruktiv gestaltbaren Drapiereigenschaften der entwickelten Hybrid-Preforms ermöglichen eine prozesssichere dreidimensionale Formgebung. Umsetzbare Gefügequalitäten und auslegungsrelevante mechanische Kennwerte von PA-, PPS- und PEEK-Laminaten werden dargestellt. Die Bauteilauslegung, die Preformgestaltung, die Formgebung sowie die Konsolidierung im Heißpressprozess und die Kosten werden exemplarisch für Anwendungsmöglichkeiten aus der Luftfahrt-, Automobilbau- und Sportartikelindustrie demonstriert.