Preform-LCM: Schlüsselelemente zur Effizienzsteigerung

Abbildung 1: Darstellung der zeitlichen Entwicklung einer Fließfront bei einem Punktanguss von der Unterseite in einen textilen Lagenaufbau. K1 und K2 sind die Hauptpermeabilitäten in der Bauteilebene, K3 der Wert der Permeabiltät in Dickenrichtung.

Abbildung 1: Darstellung der zeitlichen Entwicklung einer Fließfront bei einem Punktanguss von der Unterseite in einen textilen Lagenaufbau. K1 und K2 sind die Hauptpermeabilitäten in der Bauteilebene, K3 der Wert der Permeabiltät in Dickenrichtung.

David Becker, Timo Grieser, Matthias Arnold, Peter Mitschang
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Erwin-Schrödinger-Str., Geb. 58, 67663 Kaiserslautern

Das ambitionierte Ziel der Automobilindustrie komplex geformte Harzinjektions –Bauteile (Liquid Composite Molding) in Großserie einzusetzen erfordert neben geringeren Material- und Lackierkosten vor allem kürzere Zykluszeiten [1]. Zur Zykluszeitverkürzung sind ein tiefes Prozessverständnis und Entwicklungen entlang der gesamten Prozesskette notwendig. Dieser Artikel gibt einen Überblick über aktuelle Entwicklungen entlang der gesamten LCM-Prozesskette in den Bereichen Permeabilität, Preforming und Prozessoptimierung.

Schnellere Imprägnierung durch permeabilitätsoptimierte Textilien

Abbildung 2: Messeinrichtungen zur Bestimmung der Permeabilität in der Ebene (links) und zur Bestimmung der Permeabilität in Dickenrichtung (rechts).

Abbildung 2: Messeinrichtungen zur Bestimmung der Permeabilität in der Ebene (links) und zur Bestimmung der Permeabilität in Dickenrichtung (rechts).

Die Permeabilität beschreibt die Durchlässigkeit einer trockenen, porösen Textilstruktur für eine Flüssigkeit. Bei kontinuierlichen Faserverstärkungen ist durch den regelmäßigen Aufbau ein anisotropes Fließverhalten gegeben, das durch die Permeabilität entlang der Hauptachsen beschrieben werden kann (K1, K2, K3, vgl. Abbildung 1). Am Institut für Verbundwerkstoffe werden diese drei Permeabilitätswerte mit selbst entwickelten und patentierten Messeinrichtungen in Abhängigkeit unterschiedlicher Textil- und Prozessparameter untersucht. Dabei wird die Fließfrontausbreitung des Messfluids innerhalb der trockenen Preform durch kapazitive bzw. ultraschallbasierte Sensortechnologie gemessen. Die Messeinrichtungen sind in Abbildung 2 dargestellt; genauere technische Erläuterungen finden sich u.a. in [2, 3]. Anwendungsorientierte Studien erlauben die Ableitung von Gestaltungsrichtlinien, die zur Klassifizierung von Textilien nach prozesstechnischen Kenngrößen dienen können [4]. Im Rahmen solcher Studien werden kommerziell erhältliche technische Textilien (meist Gewebe oder Gelege) ausgewählt, die bis auf den zu untersuchenden textilen Parameter gleich aufgebaut sind. Dies erlaubt die gezielte Untersuchung des Einflusses eines einzelnen Parameters.

Exemplarisch ist in Abbildung 3 der Einfluss der Webart auf die Permeabilität in Dickenrichtung anhand von zwei Gewebepaaren dargestellt. Für beide Gewebepaare, die sich nur in der Webart unterscheiden, zeigen die Leinwandgewebe eine deutlich höhere Permeabilität als die Köpergewebe. Weitere wichtige Einflussparameter sind unter anderem Titer, Garndichte und Einzelfilamentdurchmesser bei Geweben und Stichlänge, Bindungstyp, Nähfadendicke etc. bei Gelegen [5, 6]. Auch der Einfluss von Prozessgrößen wie z.B. der Gewebescherung auf die Permeabilität wurde bereits in Verbindung mit Studien zur Umformbarkeit verschiedener Textilien untersucht [7, 8].

Automatisierte Preformherstellung

Abbildung 3: Einfluss des textilen Parameters "Webart" auf die Permeabilität.

Abbildung 3: Einfluss des textilen Parameters „Webart“ auf die Permeabilität.

Für die Herstellung komplexer Bauteile im Harzinjektionsverfahren ist das Erstellen von Vorformlingen (Preforms) ein maßgeblicher Bestandteil. Der Preforming- Prozess setzt sich heute aus zahlreichen arbeitsintensiven Einzelschritten zusammen, weshalb dessen Automatisierung ein Schlüsselelement bei der Effizienzsteigerrung und Reduzierung der Herstellungskosten ist. Im Rahmen eines EU geförderten Forschungsprojektes wurde am IVW eine Produktionsanlage (siehe Abbildung 4) zur kontinuierlichen, kosteneffizienten, qualitätssichernden und vollautomatischen Herstellung komplex geformter Profile (I-, L-, T-Profile und andere) entwickelt [8 ]. Zur Fixierung der einzelnen textilen Faserstrukturen dient die Nähtechnologie, die hohe Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 3 m/min erlaubt. Auf die textilen Anforderungen hin optimierte Vorschubsysteme minimieren die Belastung der Fasermaterialien, wodurch die Leistungsfähigkeit und Orientierung der Fasern vollständig erhalten bleiben. Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen, wie Reibwert-, Drapier- und Biegesteifigkeitsuntersuchungen, wurden diesbezüglich durchgeführt. Basierend auf diesen Untersuchungen können die textilen Faserstrukturen gezielt für den kontinuierlichen Prozess ausgewählt oder angepasst werden.

Neue Injektionsstrategien

Abildung 4: Am IVW entwickeltes Continuous Profile Preforming System (CPPS) zur kontinuierlichen Herstellung vernähter Profile.

Abildung 4: Am IVW entwickeltes Continuous Profile Preforming System (CPPS) zur kontinuierlichen Herstellung vernähter Profile.

Neben den Standardprozessen werden auch zunehmend neue Injektionsprozesse mit dem Ziel der Stückzahlsteigerung eingesetzt. Ein aktuell im Automobilbau viel diskutierter Prozess ist hierbei das Advanced Resin Transfer Molding (ARTM), bei dem die Faserstruktur hauptsächlich flächig durch die Dicke imprägniert wird. Beim ARTM wird das Harz unter geringer oder keiner Vorkompaktierung der Faserstruktur injiziert. Dadurch breitet sich das Harz znächst flächig und oberlächennah aus und wird dann beim Schließen des Werkzeugs auf den finalen Faservolumengehalt durch die Dicke imprägniert. Durch die kürzeren Fließwege und den geringeren Faservolumengehalt bei der Imprägnierung können die Prozesszeiten deutlich verringert werden. In Abhängigkeit des verwendeten Textils und der jeweiligen Prozessführung wird der textile Aufbau durch den Harzfluss in Dickenrichtung deformiert, was die Permeabilität (Tränkbarkeit) reduziert und die Gefahr eines wenig robusten Prozesses in sich birgt. Eine neue Messeinrichtung des IVW (Abbildung 5) kann diesen Effekt abbilden und die prozessentscheidenden Messwerte zur Beschreibung des Effektes aufnehmen.

Prozessorientierte Materialcharakterisierung

Abbildung 5: Messzelle zur simultanen Erfassung von Permeabilität und hydrodynamischer Kompaktierung einer Faserstruktur.

Abbildung 5: Messzelle zur simultanen Erfassung von Permeabilität und hydrodynamischer Kompaktierung einer Faserstruktur.

Die neue Messeinrichtung ermöglicht erstmals die simultane und kontinuierliche Messung der Permeabilität in Kombination mit der hydrodynamischen Kompaktierung einer Faserstruktur während des Fließprozesses. Hierzu ist die untere der beiden Kavitätsbegrenzungen beweglich gelagert und geringfügig gefedert. So folgt diese jeglicher Verschiebung der Faserstruktur aufgrund des Flüssigkeitsdruckes, während die Bewegung durch drei Wegmesser erfasst wird. Die bei schrittweiser Erhöhung des Injektionsdrucks verursachte Kompaktierung eines Textils ist in Abb. 6 für ein Glasfasergewebe dargestellt. Eine Reduzierung der Kavitätshöhe um 20 % bei 2 bar Differenzdruck entspricht einer Steigerung des Faservolumengehalts von 36,7 % auf 47,7 % und macht deutlich, wie bedeutend hydrodynamische Kompaktierungsvorgänge für den Gesamtprozess beim ARTM sind. Durch die zeitgleiche Erfassung des Volumenstroms, des Injektionsdrucks sowie des Druckabfalls am Textil können zu jedem Zeitpunkt die Permeabilität und der tatsächliche Faservolumengehalt in einen Zusammenhang gestellt werden. Somit können erstmalig kombinierte Erkenntnisse über das Verhalten einer Faserstruktur in einem realen Prozess (ARTM) gewonnen werden. Trotz der großen Fortschritte und der rasanten Entwicklung der Harzinjektionsverfahren in den letzten Jahren ist noch immer froßes Potenzial zur Effizienzsteigerung der Prozesse vorhanden. Das größere Prozessverständnis ist hierbei der Schlüssel zur Prozessbeherrschung und damit zur breiten industriellen Anwendbarkeit der neuen Verfahren.

Abbildung 6: Bei schrittweiser Erhöhung des Injektionsdrucks steigt auch der am Textil entstehende Druckabfall (untere Kurve). Dieser induziert im Textil eine steigernde Kompaktierung (obere Kurve).

Abbildung 6: Bei schrittweiser Erhöhung des Injektionsdrucks steigt auch der am Textil entstehende Druckabfall (untere Kurve). Dieser induziert im Textil eine steigernde Kompaktierung (obere Kurve).

[1] Timm, H.: Audi Leichtbaukompetenz. 2010
[2] Arnold, M., Rieber, G., Mitschang, P.: Permeability as the key parameter for short cycle times. Kunststoffe international, 3, 2012, pp. 25-28
[3] Stöven, T., Weyrauch, F., Mitschang, P., Neitzel, M.: Continuous monitoring of three-di-mensional resin flow through a fibre preform. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 34, 6, 2003, pp. 475-480
[4] Rieber, G.: Einfluss von textilen Parametern auf die Permaeabilität von Multifilamentgeweben für Faserverbundkunststoffe. TU Kaiserslautern, 2011
[5] Mitschang, P., Glawe, M., Kreutz, D., Rieber, G., Becker, D.: Influence of textile parameters on the through-the-thickness permeability of woven textiles. In: FPCM 11, Auckland, 2012
[6] Rieber, G., Jiang, J., Deter, C., Chen, N., Mit- schang, P.: Influence of textile parameters on the in-plane permeability. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2013
[7] Arnold, M., Rieber, G., Broser, J., Möbius, T., Wahl, M., Mitschang, P.: Permeability of sheard reinforced textiles – Permeabilität von gescherten Verstärkungstextilien. In: 6. Aachen-Dresden international textile conference, Dresden, 2012
[8] Arnold, M., Broser, J., Becker, D., Mitschang, P.: Einfluss textiler Herstellungsparameter auf den maximalen Scherwinkel von Glasfasergeweben. Technische Textilien, 3, 2013

 

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