Werkstoffe III - Herstellung und Anwendung von FVK-Halbzeugen Flashcards
Welche duroplastischen FVK-Halbzeuge gibt es? Wie
unterscheiden sich diese?
- > Prepegs, textile Halbwerkzeuge (Gewebe, Gelege, Wirrfasermatten):
- 1- oder 2-Dimensional
- Beispielhaftes Verarbeitungsverfahren: Flüssigimprägnierung, Pressverfahren
- > SMC, BMC, Langfaser Preforms:
- 2-Dimensional
- Faserlänge: 50mm - 4,5mm
- Beispielhaftes Verarbeitungsverfahren: Pressverfahren
- > Granulat:
- 3-Dimensional
- Faserlänge: <4,5mm
- Beispielhaftes Verarbeitungsverfahren: Spritzgießverfahren
Welche Herstellungsprinzipien gibt es für thermoplastische FVK-Halbzeuge und wie lassen sich diese einteilen?
- > Halbzeugherstellung über Vorprodukte:
- Mischfaserimprägnierung
- Pulverimprägnierung
- Folienimprägnierung
- > Imprägnierung und Konsolidierung der Vorprodukte mit Hilfe von (Doppelband-)Pressen bevor eine Weiterverarbeitung möglich ist
- > Halbzeugherstellung über Flüssigimprägnierung:
- Schmelzimprägnierung
- Lösungsmittelimprägnierung
- > In diesen Verfahren hergestellte Halbzeuge sind bereits vollständig imprägniert und können direkt weiterverarbeitet werden
Welche thermoplastische FVK-Halbzeuge gibt es?
Wie unterscheiden sich diese?
- > Organobleche, UD-Tapes:
- 1- oder 2-Dimensional
- Beispielhaftes Verarbeitungsverfahren: Tape-Legeverfahren, Pressverfahren, Spritzgießverfahren
- > GMT, LFT, Langfaser Preforms:
- 2-Dimensional
- Faserlänge: 50mm - 4,5mm
- Beispielhaftes Verarbeitungsverfahren: Pressverfahren, Spritzgießverfahren
- > Granulat:
- 3-Dimensional
- Faserlänge: <4,5mm
- Beispielhaftes Verarbeitungsverfahren: Spritzgießverfahren
Mit welchen Herstellungsverfahren können die thermoplastische FVK-Halbzeuge hergestellt werden?
- Organobleche: Film-Stacking-Verfahren, Lösungsmittelimprägnierverfahren, Pulverimprägnierverfahren, Reaktive Verarbeitungsverfahren, Mischfaserimprägnierung
- UD-Tapes: Schmelzeimprägnierverfahren, Lösungsmittelimprägnierverfahren, Pulverimprägnierverfahren, Folienimprägnierverfahren, Mischfaserimprägnierung
- Langfaserverstärkte Thermoplaste: Schmelzimprägnierprozess
- Glasmattenverstärkte Thermoplaste: Schmelzeimprägnierprozessen, Aufschlämmverfahren, Pulverimprägnierverfahren
In welchen Verfahren werden die thermoplastische FVK-Halbzeuge weiterverarbeitet?
- Organobleche: Umformpress- und/oder Spritzgießverfahren
- UD-Tapes: Tapelege- oder Tapewickelverfahren, Press- oder Spritzgießverfahren
- Langfaserverstärkte Thermoplaste: Plastifizierpressverfahren, Spritzgießverfahren
- Glasmattenverstärkte Thermoplaste: automatisiertes Aufheizen, Pressen/Umformen und Besäumen
Was sind “Bulk Moulding Compounds” (BMC)
-Vorimprägnierte, teigartige Formmassen
aus vorgemischten Faser - und Matrixmaterialien
-Verstärkungsfasern liegen in geschnittener und unorientierter Form vor
-Zumeist werden ungesättigte Polyester- oder Vinylesterharze verwendet
-Im Vergleich zu SMC besitzen die BMC
einen deutlich geringeres Produktionsvolumen (82 kt pro Jahr, ca. 1-3 €/kg)
-BMC kann in Pressverfahren oder im Spritzgießverfahren verarbeitete werden
-Hauptanwendung im Automobil und Transportsektor
(Scheinwerferreflektoren und Zylinderkopfdeckel)
Herstellungsverfahren von BMC
->Diskontinuierliche Herstellung von BMC im Z-Schaufel-Mischer:
-Alle Bestandteile werden in einen langsam laufenden Mischer (z.B. 30 min-1) mit so genannten „Z-Schaufeln“ compoundiert
-Während des Mischvorgangs werden die Glasfasern
benetzt und geschädigt (Abbau der Faserlänge)
->Kontinuierliche Herstellung von BMC mit einem rotierenden Walzenpaar:
-Glasfasern werden in die Harzpaste im Walzenspalt
geschnitten und zwischen den Walzen durchmischt
und imprägniert
-Geringere Faserschädigung und höhere Produktivität
Was sind duroplastische Prepegs
- Vorimprägnierte, flächige Halbzeuge (Rollenware) mit Endlosfaserverstärkung
- Verstärkungsfasern können als unidirektionale Gelege sowie als Gewebe vorliegen
- Zumeist werden Epoxidharze als Matrixmaterial verwendet (selten auch Phenolharze)
- Verarbeitung durch manuelles oder automatisiertes Auflegen und Aushärtung im Autoklaven
- Begrenzte Lagerfähigkeit und Lagerung bei -18°C, Auftauen nur in Schutzfolie (ansonsten Kondenswasserbildung)
- Hauptanwendung sind Automobilbau, Rennsport, Luftfahrt und Sportbereich, aber auch Elektrotechnik (Leiterbahnen)
Schematische Herstellung von duroplastischen Prepregs mit Tränkbad
-Spule mit Halbzeugs (Rovings oder textiles Halbzeug)
-Tränkbad (Bereitstellung des Harzsystemes (ohne Füllstoffe, ggf. mit Lösungsmittel zur Viskositätsreduktion)
-Abquetschrollen (zum Einstellen des Harzanteils)
-Ofen (Abdampfen evtl. vorhandener Lösungsmittel, Anvernetzen zur Steigerung der Viskosität)
-Trennfolien (zur Weiterverarbeitung)
-Prepreg Aufwickelung (Begrenzte Lagerfähigkeit in gekühlter Umgebung aufgrund der temperaturabhängigen
Reaktionsgeschwindigkeit)
Schematische Herstellung von duroplastischen Prepregs über Trägerfolien
- Rovings (oder textiles Halbzeug)
- Auftragen einer Trennfolie auf die Rovings
- Zusammenführung mit einer Trägerfolie mit Harz
- Imprägnierung
- Randbeschnitt
- Prepeg-Aufwicklung
Was sind duroplastische Towpregs
- Vorimprägnierte Rovings (Spulenware) mit Endlosfaserverstärkung
- Zumeist werden Epoxidharze als Matrixmaterial verwendet
- Entkopplung der Imprägnierung und Bauteilherstellung kann Produktivität erhöhen und Qualitätsschwankungen verringern
- Verarbeitung durch Wickeln und automatisiertes Tapelegen
- Begrenzte Lagerfähigkeit und Lagerung bei -18°C, Auftauen nur in Schutzfolie (ansonsten Kondenswasserbildung)
Was sind Organobleche
-Endlosfaserverstärkte vorimprägnierte thermoplastische Halbzeuge
-Plattenförmige vorimprägnierte und konsolidierte bi bzw. multidirektionale Halbzeuge (Laminate)
-Breites Spektrum an Faser-/Matrix-Kombinationen und FVG
-Zur Herstellung werden zumeist Fasergewebe oder
-gelege verwendet
-Die Imprägnierung und Konsolidierung kann mit den
folgenden Verfahren erfolgen:
->Film-Stacking-Verfahren (höchste industrielle Relevanz)
->Lösungsmittelimprägnierverfahren
->Pulverimprägnierverfahren
->Reaktiven Verarbeitungsverfahren
->Mischfaserimprägnierung (z.B. Hybridgarne)
-Die Weiterverarbeitung und Funktionalisierung erfolgt
in Umformpress- und/oder Spritzgießverfahren
-Finden vor allem Anwendung im Automobilbau zur
flächigen oder lokalen Verstärkung von Bauteilen
sowie im Freizeitsektor
Herstellungsmöglichkeiten von Organoblechen nach dem “Film-Stacking-Verfahren” (in aufsteigender industrieller Relevanz)
->Das Film-Stacking-Verfahren ist das industriell verbreitetste Verfahrensprinzip zu Herstellung von Organoblechen
- Doppelbandpressprozess
- Etagenpressprozess
- Intervallpressprozess
Produktionsschritte des Intervallpressprozesses zur Herstellung von Organoblechen
Semi-kontinuierlicher Herstellungsprozess
- > Abwickelstationen:
- Matrixfolie
- Faserhalbzeuge
- Trennbleche
->Pressstationen:
-Einlauftische (Orientierung der Einzellagen)
-Vorpresse (Vorheizen und -kompaktieren)
Heizkühlpresse
->Konfektionieren
Produktionsschritte des Doppelbandprozesses zur Herstellung von Organoblechen
kontinuierlicher Herstellungsprozess
- Folien (Bereitstellen und Abwickeln)
- Textile Halbzeuge (Bereitstellen und Abwickeln)
- Zusammenführung der Folien und textilen Halbzeuge
- Doppelbandpresse (Heizen, Imprägnieren, Komprimieren unter hohem Druck Abkühlen des Halbzeugs)
- Konfektionieren und Ablegen (Stanzen und Lagern)
Produktionsschritte des Intervallpressprozesses zur Herstellung von Organoblechen
Semi-kontinuierlicher Herstellungsprozess
- > Abwickelstationen:
- Matrixfolie
- Faserhalbzeuge
- Trennbleche
->Pressstationen:
-Einlauftische (Orientierung der Einzellagen)
-Vorpresse (Vorheizen und -kompaktieren)
Heizkühlpresse
->Konfektionieren
Einfluss des Spreizungsprozesses beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes
- Die Spreizung der Fasern hat einen direkten Einfluss auf die Homogenität der Faserverteilung und die Imprägnierqualität im produzierten UD-Tape
- Die Spreizqualität wird hauptsächlich über die Faservorspannkraft, die Anzahl der Aufspreizstangen und den Umschlingungswinkel der Rovings um die Aufspreizstangen beeinflusst
Produktionseinheiten des Schmelzimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes
- Gatter
- Spreizeinheit (Spreizstangen)
- Imprägniereinheit (Imprägnierwerkzeug und Extruder)
- Konsolidiereinheit (Glättwerk und Kühlwalzen)
- Abzug
Ablauf und Einfluss des Imprägnierprozesses beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes
-Ein Extruder fördert das schmelzeförmige Matrixmaterial in das beheizte Imprägnierwerkzeug
-Die Verstärkungsfasern werden durch das Imprägnierwerkzeug geführt und dabei mit dem
Materixmaterial imprägniert
-Durch die mehrfache Umlenkung der Faser durch die Umlenkstangen in Imprägnierwerkzeug wird das Matrixmaterial homogen in den Fasern verteilt
-Der Aufbau und die Temperatur des Imprägnierwerkzeuges hat einen direkten Einfluss auf die Imprägnierqualität und die Homogenität der Faserverteilung im produzierten UD-Tape
Ablauf und Einfluss des Konsolidierungsprozesses beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes
- Das gekühlte Glättwerk führt die Wärme aus dem UD-Tape ab und sorgt für eine Konsolidierung des Matrixmaterials
- Das Glättwerk hat direkten Einfluss auf die Oberflächenqualität und die Dicke des hergestellten UD-Tapes
- Über die Kühlwalzen wird die restliche Wärme aus dem UD-Tape abgeführt
Ablauf und Einfluss des Abzugs und der Wicklung beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes
- Über die Drehzahl des Abzuges wird die Vorschubgeschwindigkeit des UD-Tapes und somit die Produktionsgeschwindigkeit eingestellt
- Der Abzug bringt die nötige Kraft auf, um das UD-Tape durch die verschiedenen Anlagenkomponenten zu bewegen
- Über die Wicklung wird das produzierte UD-Tape auf eine Spule aufgewickelt
Ablauf des Lösungsmittelimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen
- Abwicklung der textile Halbzeuge ((Rovings oder Gewebe/Gelege)
- Aufheizen der textilen Halbzeuge durch eine Heizstrecke
- Benetzen des Textil mit gelöstem Polymer in einem Imprägnierbad
- Verdunstung des Lösungsmittels während der Trocknung
- Abzug
Vor- und Nachteile des Lösungsmittelimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen
->Vorteile: -Gute Imprägnierqualität durch geringe
Viskosität des gelösten Polymers
-Geeignet für: PC, PSU, PES, PEI
->Nachteile: -Technisch aufwendig und teuer
(Lösungsmittelrückgewinnung)
-Keine geeigneten Lösungsmittel für viele
Thermoplaste
Ablauf des Pulverimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen
- Abwicklung der textile Halbzeuge ((Rovings oder Gewebe/Gelege)
- Aufbrechen der Schlichte und Führung des Textils in der Textilführungseinheit
- Einarbeitung des Thermoplastpulvers im Tauchbad/Wirbellbett
- Heizen, Imprägnieren, Komprimieren und Abkühlen des Halbzeugs in einer Doppelbandpresse
- Abzug
