Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Patch-Pultrusion - Lokale Verstärkung von Pultrusionsprofilen durch lastgerechte Textilstrukturen zur Steigerung der Festigung in Fügebereichen

Die Herstellung von Profilbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen ist mittels Pultrusion kostengünstig, schnell und automatisiert möglich. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften können jedoch aufgrund fehlender Fügetechniken für viele Anwendungen nicht genutzt werden. Durch die gezielte strukturelle Textilverstärkung von pultrudierten UD-CFK-Profilen sollen die Einsatzmöglichkeiten mit Blick auf leichtbaugerechten Materialeinsatz und etablierte Fügemethoden signifikant verbessert werden. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts erfolgt die Auslegung, Entwicklung und Umsetzung eines Profil-Baukastensystems für Bolzenverbindungen mit lastoptimierter textiler Verstärkungsstruktur. Gegenüber unverstärkten Pultrudaten wird eine Steigerung der mechanischen Leistungsfähigkeit gebolzter Fügeverbindungen um mindestens 80 % durch den Einsatz von maximal 25 % Textilverstärkung erwartet. Für die Umsetzungen werden prozesssicher pultrudierbare textile Verstärkungsstrukturen mittels der TFP-Technologie zur gezielten lokalen Profilverstärkung entwickelt. In Zusammenarbeit mit dem PbA erfolgt die Überführung des Verstärkungskonzeptes auf kontinuierlich herstellbare Textilen wie Multiaxialgelege mit Kettenversatz, Open Reed Weaving oder der Häkelgalon-Technik. Die Einbindung in die Pultrusion erfolgt mit einer zu entwickelnden Zuführeinheit, welche über ein digitales Bildanalysesystem verfügt, um möglichen Verzug der Verstärkungsstrukturen zu messen und angepasste Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Zum Projektende stehen KMU`s Konstruktionsrichtlinien zur Verfügung, um die Auslegung von Bauteilen, Halbzeugen und Fertigungsprozessen zu ermöglichen. Mit den Erk. wird die Wirtschaftlichkeit des Pultrusionsprozesses durch bis zu 40 % Materialeinsparung erhöht. Die verbesserte Ausschöpfung des Leichtbaupotentials von pultrudierten Faserverbundstrukturen ermöglicht die Erschließung neuer Anwendungsfelder für belastungsspezifische Textilstrukturen und pultrudierter Profile.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens „Patch-Pultrusion“ bestand in der Entwicklung eines Prozesses zur Herstellung von lokal verstärkten Pultrusionsprofilen. Hierfür wurden belastungsgerecht ausgelegte Textilstrukturen entwickelt, welche als lokale Verstärkungen in Pultrusionsprofile integriert wurden. Durch die lokale Integration der textilen Halbzeuge konnten Verstärkungseffekte von bis zu 86 Prozent erzielt werden.

Die Entwicklung von Verstärkungsstrukturen erfolgte anhand von Gestaltungsrichtlinien aus der Literatur, welche mit Hilfe von FEM-Simulationen hinsichtlich ihrer Verstärkungswirkung untersucht wurden. Die entwickelten Strukturen wurden in der „roll-to-roll“-Variante des TFP-Verfahrens auf Endlosbändern gestickt und in den Pultrusionsprozess integriert. Die auf diese Weise hergestellten, lokal verstärkten Pultrusionsprofile wurden mechanisch charakterisiert und die Verstärkungswirkung der TFP-Einleger bewertet. Darüber hinaus erfolgte eine Untersuchung der Profile mit zerstörungsfreien, bildanalytischen Verfahren wie Schliffbilder oder Röntgen Computertomographie.

Bei der Herstellung der lokal verstärkten Pultrusionsprofile wurden unterschiedliche Materialkombinationen betrachtet. Hierbei wurden GF- oder CF-Preforms in GFK-Profile integriert, den größten Verstärkungseffekt erzielte in diesem Fall das Stickmuster „Spirale“. Bei der Materialkombination CF-Verstärkung und GFK-Grundprofil betrug die größte Verstärkungswirkung 72 %. Darüber hinaus wurden CFK-Profile mit CF-Preforms verstärkt, wobei ein Verstärkungseffekt von 86 % im Fall des Stickmusters „Raute“ erzielt werden konnte.

Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein kontinuierlich herstellbares Verstärkungstextil entwickelt. Die Übertragung des Verstärkungsmusters „Raute“ auf ein Textil aus dem Häkelgalonverfahren, ermöglichte die Umsetzung des Prozesses in einem industriellen Maßstab. Hierbei konnte eine Verstärkungswirkung von 17,5 % erzielt werden.