Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Angepasste Hybridgarnfertigung zur gezielten Einstellung des Schrumpfverhaltens in der FVK-Bauteilherstellung

Zur groben Auslegung und Dimensionierung von Faserverbundkunst-stoff (FVK)-Bauteilen gibt es am Markt bestehende Auslegungssysteme. Diese unterstützen den Konstrukteur bei der Auslegung mit Versagenskriterien basierend auf Materialdaten. Diese Materialdaten sind in Datenbanken hinterlegt. Die Datenbanken basieren auf Literaturdaten.

Strukturen aus thermoplastischen FVK weisen gegenüber Bauteilen mit duroplastischen Matrixsystemen zentrale Vorteile auf. Dies sind vor allem kürzere Zykluszeiten und bessere mechanische Eigenschaften. Der Standardprozess zur Herstellung solcher Organobleche geschieht mittels Folienimprägnierung und einer anschließenden Konsolidierung auf Doppelbandpressen. Ein Nachteil von Organoblechen ist die mangelnde Drapierbarkeit des Materials. Daher ist ein Einsatz, beispielsweise bei hochbeanspruchten komplexen Bauteilen nicht möglich. Hybridgarne als Kombination von Verstärkungsfasern und thermoplastischen Filamentgarnen bieten sowohl den Vorteil der guten Drapierbarkeit wie bei trockenen Textilien als auch die Vorteile von thermoplastischen Matrixsystemen.

Die Ursache für die geringe Nutzung von hybridgarnbasierten Strukturen liegt an den nicht ausreichend Vorhandenen Materialkennwerten für diesen Werkstoff. Die Materialdatenbanken der verfügbaren Auslegungssysteme enthalten bisher keine Kennwerte von Hybridgarntextilien. Durch diese noch vorhandene Unkenntnis ist die Verbreitung des Werkstoffes als gering anzusehen. Eine Ausnutzung der oben genannten Vorteile der guten Drapierbarkeit und der Vorteile der Thermoplaste für einen flächendeckenden Einsatz ist somit nur mit erhöhtem Kostenaufwand möglich. Daher werden diese Werkstoffe nur selten ausgewählt.

Das Ziel des Forschungsvorhabens HybTex ist die Erhöhung des Marktanteils von Hybridgarnbasiertem TP FVK durch eine Reduzierung der Kosten während der Bauteilauslegung um 20 %.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt HybTex wurden Hybridgarne sechs verschiedener kommerzieller Anbieter auf ihre Verarbeitbarkeit in den wichtigsten Flächenherstellungsverfahren Weben, Flechten und Multiaxialgelegeherstellung hin untersucht und verglichen.

Für die Verarbeitungseigenschaften wurden Kennwerte entwickelt, die mithilfe einer Bewertungsmatrix einen direkten Vergleich der Materialien untereinander je nach Herstellungsprozess ermöglichen.

Darüber hinaus wurden Untersuchungen zum Konsolidierungsprozess durchgeführt. Hierbei wurden Prozessfenster für Konsolidierungsdruck und -temperatur ermittelt. Anschließend wurden für jedes Hybridgarnmaterial mechanische Kennwerte durch Zug- und Biegeprüfungen an konsolidierten Probekörpern durchgeführt.

Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse über die Verarbeitungseigenschaften der Hybridgarne sowie deren mechanischer Eigenschaften konnten spezifische Materialkarten erstellt werden. Diese beinhalten außerdem Angaben zum Materialpreis und allgemeinen Informationen, wie z.B. der Dichte des Materials, Faservolumengehalt oder Verteilungsgüte der Garnkomponenten.

Zum einfachen Vergleich der verschiedenen Materialien, wurde ein Software-Tool entwickelt, in dem die Materialkarten in einer Datenbank hinterlegt sind. Diese Datenbank kann stetig um neue Materialien und Materialdaten ergänzt werden.