Werkstoffe III - Herstellung und Anwendung von FVK-Halbzeugen Flashcards

1
Q

Welche duroplastischen FVK-Halbzeuge gibt es? Wie

unterscheiden sich diese?

A
  • > 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
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2
Q

Welche Herstellungsprinzipien gibt es für thermoplastische FVK-Halbzeuge und wie lassen sich diese einteilen?

A
  • > 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
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3
Q

Welche thermoplastische FVK-Halbzeuge gibt es?

Wie unterscheiden sich diese?

A
  • > 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
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4
Q

Mit welchen Herstellungsverfahren können die thermoplastische FVK-Halbzeuge hergestellt werden?

A
  • Organobleche: Film-Stacking-Verfahren, Lösungsmittelimprägnierverfahren, Pulverimprägnierverfahren, Reaktive Verarbeitungsverfahren, Mischfaserimprägnierung
  • UD-Tapes: Schmelzeimprägnierverfahren, Lösungsmittelimprägnierverfahren, Pulverimprägnierverfahren, Folienimprägnierverfahren, Mischfaserimprägnierung
  • Langfaserverstärkte Thermoplaste: Schmelzimprägnierprozess
  • Glasmattenverstärkte Thermoplaste: Schmelzeimprägnierprozessen, Aufschlämmverfahren, Pulverimprägnierverfahren
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5
Q

In welchen Verfahren werden die thermoplastische FVK-Halbzeuge weiterverarbeitet?

A
  • 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
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6
Q

Was sind “Bulk Moulding Compounds” (BMC)

A

-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)

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7
Q

Herstellungsverfahren von BMC

A

->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

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8
Q

Was sind duroplastische Prepegs

A
  • 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)
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9
Q

Schematische Herstellung von duroplastischen Prepregs mit Tränkbad

A

-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)

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10
Q

Schematische Herstellung von duroplastischen Prepregs über Trägerfolien

A
  • Rovings (oder textiles Halbzeug)
  • Auftragen einer Trennfolie auf die Rovings
  • Zusammenführung mit einer Trägerfolie mit Harz
  • Imprägnierung
  • Randbeschnitt
  • Prepeg-Aufwicklung
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11
Q

Was sind duroplastische Towpregs

A
  • 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)
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12
Q

Was sind Organobleche

A

-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

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13
Q

Herstellungsmöglichkeiten von Organoblechen nach dem “Film-Stacking-Verfahren” (in aufsteigender industrieller Relevanz)

A

->Das Film-Stacking-Verfahren ist das industriell verbreitetste Verfahrensprinzip zu Herstellung von Organoblechen

  • Doppelbandpressprozess
  • Etagenpressprozess
  • Intervallpressprozess
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14
Q

Produktionsschritte des Intervallpressprozesses zur Herstellung von Organoblechen

A

Semi-kontinuierlicher Herstellungsprozess

  • > Abwickelstationen:
  • Matrixfolie
  • Faserhalbzeuge
  • Trennbleche

->Pressstationen:
-Einlauftische (Orientierung der Einzellagen)
-Vorpresse (Vorheizen und -kompaktieren)
Heizkühlpresse

->Konfektionieren

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15
Q

Produktionsschritte des Doppelbandprozesses zur Herstellung von Organoblechen

A

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)
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16
Q

Produktionsschritte des Intervallpressprozesses zur Herstellung von Organoblechen

A

Semi-kontinuierlicher Herstellungsprozess

  • > Abwickelstationen:
  • Matrixfolie
  • Faserhalbzeuge
  • Trennbleche

->Pressstationen:
-Einlauftische (Orientierung der Einzellagen)
-Vorpresse (Vorheizen und -kompaktieren)
Heizkühlpresse

->Konfektionieren

17
Q

Einfluss des Spreizungsprozesses beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes

A
  • 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
18
Q

Produktionseinheiten des Schmelzimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes

A
  • Gatter
  • Spreizeinheit (Spreizstangen)
  • Imprägniereinheit (Imprägnierwerkzeug und Extruder)
  • Konsolidiereinheit (Glättwerk und Kühlwalzen)
  • Abzug
19
Q

Ablauf und Einfluss des Imprägnierprozesses beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes

A

-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

20
Q

Ablauf und Einfluss des Konsolidierungsprozesses beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes

A
  • 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
21
Q

Ablauf und Einfluss des Abzugs und der Wicklung beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes

A
  • 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
22
Q

Ablauf des Lösungsmittelimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen

A
  • 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
23
Q

Vor- und Nachteile des Lösungsmittelimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen

A

->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

24
Q

Ablauf des Pulverimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen

A
  • 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
25
Was sind Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)
-Stäbchen-Granulat mit Faserverstärkung in Stäbchenlänge (FVG = 18 – 50 Vol.-%) -Stäbchenlänge abhängig vom Weiterverarbeitungsverfahren: ->10 – 13 mm für Spritzgießverfahren ->13 – 50 mm für Pressverfahren -LFT haben unter den thermoplastischen Halbzeugen den größte Marktanteil (156 kt pro Jahr (zusammen mit GMT), PA6/GF (40 Vol.-%) ~3 €/kg ,PP/GF (40 Vol.-%) ~2 €/kg) -Herstellung zumeist im Schmelzeimprägnierprozess -Verarbeitung im ->Plastifizierpressverfahren (Extrusion des Stäbchengranulates und anschließendes Fließpressen) ->Spritzgießverfahren (direkte Verarbeitung des Stäbchengranulats) -Hauptanwendung ist der Automobilbau
26
Schematischer Herstellungsprozess des "Stranggranulierens" für faserverstärkte Thermoplaste
- Bereitstellen der Rovings durch Spulenständer - Aufbrechen der Schlichte und Führung der Rovings während der Rovingspreizung - Bereitstellen der thermoplastischen Schmelze durch ein Plastifizieraggregat - Zusammenführung der Rovings und der Schmelze durch eine Düse - Imprägnieren der Fasern, Ausformen und Abkühlung des Strangs durch die Imprägniereinheit - Abziehen des Strangs und Kühlung (bzw. Trocknung bei Dispersion) durch die Kühleinheit - Konfektionierung des Strangs auf einheitliche Pellets durch den Stranggranulator
27
Was sind glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)
- Plattenförmige vorimprägnierte Wirrfaserhalbzeuge (ggf. auch mit Endlosfaserlagen) - Faserlängen von 5 – 100 mm - Als Faser und Matrix werden zumeist kostengünstige Materialien wie PP (selten auch PA oder PC/ABS) in Kombination mit GF verwendet - Höhere Umformgrade (im Vergleich zu Endlosfaserhalbzeugen) durch Schnittfasern - 156 kt pro Jahr (zusammen mit LFT) - Herstellung in - >Schmelzeimprägnierprozessen - >Aufschlämmverfahren - >Pulverimprägnierverfahren - Verarbeitung durch automatisiertes Aufheizen, Pressen/Umformen und Besäumen - Anwendung in großflächigen Bauteilen (zumeist mit geringe Komplexität und keine Sichtbauteile)
28
Schematischer Herstellungsprozess des Schmelzimprägnierverfahrens für glasmattenverstärkte Thermoplaste
1. Schritt: Herstellung der Wirrfasermatte - Streuen von Schnittfasern und Ablegen auf Förderband - Fixieren der Fasern durch Vernadeln oder chemisches/thermoplastisches Binden - Aufwickeln der Glasmatte auf eine Rolle 2. Schritt: Schmelzimprägnierung - Zentrale Zuführung von Thermoplastschmelze zwischen zwei Glasmatten - Heizen, Imprägnieren, Komprimieren unter hohem Druck und Abkühlen des Halbzeugs in einer Doppelbandpresse - Konfektionieren und Ablegen
29
Schematischer Herstellungsprozess des Aufschlämmverfahrens für glasmattenverstärkte Thermoplaste
1. Schritt: Herstellung der Fasermatten - Schneiden der Rovings im Schneidwerk - Mischung mit Polymer(pulver) und Additiven zu einer wässrigen Dispersion - Ablegen der GMT-Bestandteile auf einem porösen Band, ggf. durch Ausflockungsmittel (Rückführung der überflüssigen Dispersion) - optionale Zuführung eines Binders - Abtrocknen der verbliebenen Flüssigkeit im Umluftofen - Aufwickeln der Glasmatte auf einer Rolle 2. Schritt: Konsolidierung - Materialzufuhr über mehrere Rollen - Heizen, Imprägnieren, Komprimieren und Abkühlen des Halbzeugs in einer Doppelbandpresse - Konfektionieren und Ablegen
30
Was sind "Sheet Moulding Compounds" (SMC)
- Vorimprägnierte, flächige Pressmassen aus vorgemischten Faser- und Matrixmaterialien (Rollenware) - Verstärkungsfasern sind in der Regel geschnitten und unorientiert (in selten Fällen aber auch mit vororientiert Schnittfasern und/oder mit Endlosfasern) - Zumeist werden ungesättigte Polyester- oder Vinylesterharze verwendet - GFK-Halbzeug mit dem jährlich größten Produktionsvolumen in Europa - 205 kt pro Jahr - ~5 €/kg - Verarbeitung in Pressverfahren - Hauptanwendung im Automobil- (Heckdeckel) und Transportsektor (Zugverkleidung) sowie Elektronikbranche (Schaltschrank)
31
Schematische SMC-Herstellung
- Untere Trägerfolie (besehend aus PE oder PA) -Unterer Rakelkasten (Aufrakeln des Harzsystems) -Rovingschneidwerk -Rezyklatzugabe -Zuführung Endlosfasern (optional) -Oberer Rakelkasten (Aufrakeln des Harzsystems auf die obere Trägerfolie, welche anschließend auf die untere Folie aufgetragen wird) -Imprägnierstrecke (Auspressen von Luft und Verbessern der Imprägnierqualität), dort wird die Dicke durch Walzenpaare kalibriert -Spannvorrichtung -Aufwicklung der SMC-Matten - Lagerstation Eindicken der Paste, Reduktion der Klebeneigung
32
Trends in SMC-Materialien
- High-Performance SMC (HP-SMC): optimierte Rezepturen, z.B. mit Epoxidharz - SMC aus rezyklierten C-Fasern: Integration von rezyklierten Kohlenstofffasern als Recyclingstrategie
33
Was sind UD-Tapes?
- Bandförmige vor- bzw. teilimprägnierte und konsolidierte unidirektionale Halbzeuge - Dicke zumeist zwischen 0,1 – 0,4 mm - Breites Spektrum an Faser-/Matrix-Kombinationen und FVG - Abhängig vom Matrixmaterial finden eine Vielzahl an Herstellungsverfahren Anwendung, die wie folgt eingeteilt werden können - Schmelzeimprägnierverfahren - Lösungsmittelimprägnierverfahren - Pulverimprägnierverfahren - Folienimprägnierverfahren - Mischfaserimprägnierung (z.B. Hybridgarne) - Die Weiterverarbeitung zu Laminaten erfolgt in automatisierten Tapelege- oder Tapewickelverfahren - Die Laminate werden in Spritzgieß- oder Pressverfahren umgeformt und/oder funktionalisiert - Hauptanwendungen sind der Flugzeug-, Automobilbau und die Offshore-Industrie