Methodik zur integrativen Kombination duroplastischer Formmassen und Prepregs im Spritzgießverfahren

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-05-02
Issue Year
2022
Authors
Deringer, Tim
Editor
Abstract

Due to their advantageous weight-related properties and the specific characteristics of their matrix, such as temperature resistance or emergency running properties, pre-impregnated sheet-like semifinished products based on continuous fiber-reinforced thermosets offer great potential for lightweight construction in demanding application areas such as aviation. Due to the increasing need for simultaneous functionalization or increase in geometric complexity of such components, integrative manufacturing processes in particular are seen as the key to efficient and economical production. Integrative manufacturing combines different materials with differentiated specific properties in a single process step and demolds them as a single component or hybrid component. However, the major weak point of such a hybrid component is the interface between the combined materials, which means that the success of an integrative thermoset manufacturing process depends to a large extent on the realization of a load-bearing interface without weakening the material properties of the individual components. In this work, a novel method for the integrative combination of thermoset molding compounds and thermoset prepregs in thermoset injection molding in the uncrosslinked state is demonstrated. In addition to the characteristic interface formation, the relationships between dominant process influences and resulting component properties are identified and underlying causes are understood. For this purpose, selected material and process parameters are varied, analyzed and linked in laboratory and processing tests. In addition, dominant adhesion mechanisms and associated characteristic failure behaviors are evaluated and analytically described. Based on the results, guidelines for a stable process window and for the component design of the novel integrative process are also derived. These form a far-reaching contribution for a potential further development of the process towards series production.

Abstract

Vorimprägnierte flächige Halbzeuge auf Basis endlosfaserverstärkter Duroplaste bieten durch ihre vorteilhaften gewichtsbezogenen Eigenschaften und die spezifischen Eigenschaften ihrer Matrix, wie z. B. Temperaturbeständigkeit oder Notlaufeigenschaften, ein großes Potenzial für Leichtbau in anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie der Luftfahrt. Aufgrund des zunehmenden Bedarfs einer zeitgleichen Funktionalisierung oder Erhöhung der Geometriekomplexität von solchen Komponenten sind vor allem integrative Fertigungsverfahren als Schlüssel zur effizienten und wirtschaftlichen Fertigung zu sehen. Durch die integrative Fertigung werden unterschiedliche Werkstoffe mit differenzierten spezifischen Eigenschaften in einem Prozessschritt kombiniert und als ein Bauteil bzw. Hybridbauteil entformt. Die große Schwachstelle eines solchen Hybridbauteils bildet jedoch die Grenzfläche zwischen den kombinierten Werkstoffen. Damit hängt der Erfolg eines integrativen Fertigungsverfahrens für Duroplaste maßgeblich von der Realisierung einer belastbaren Grenzfläche ab, wobei die Werkstoffeigenschaften der Einzelkomponenten nicht geschwächt werden dürfen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine neuartige Methodik zur integrativen Kombination von duroplastischen Formmassen und duroplastischen Prepregs im unvernetzten Zustand mittels Duroplast- Spritzgießverfahren aufgezeigt. Neben der charakteristischen Grenzflächenentstehung werden die Zusammenhänge zwischen dominierenden Prozesseinflüssen und resultierenden Bauteileigenschaften identifiziert sowie zugrundeliegende Ursachen beleuchtet. Hierfür werden sowohl ausgewählte werkstoffliche als auch prozesstechnische Parameter in Labor- und Verarbeitungsversuchen variiert, analysiert und verknüpft. Zudem werden dominierende Adhäsionsmechanismen und zugehörige charakteristische Versagensverhalten analytisch beschrieben und evaluiert. Auf Basis der Ergebnisse werden Richtlinien für ein stabiles Prozessfenster und Empfehlungen für die Bauteilauslegung des neuartigen integrativen Verfahrens abgeleitet. Diese bilden einen weitreichenden Beitrag für eine potenzielle Weiterentwicklung des Verfahrens bis hin zu Serienreife.

DOI
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs