Werkstoffe III - Herstellung und Anwendung von FVK-Halbzeugen

Question 1

Welche duroplastischen FVK-Halbzeuge gibt es? Wie

unterscheiden sich diese?

Answer 1

• > 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

Question 2

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

Answer 2

• > 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

Question 3

Welche thermoplastische FVK-Halbzeuge gibt es?

Wie unterscheiden sich diese?

Answer 3

• > 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

Question 4

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

Answer 4

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

Question 5

In welchen Verfahren werden die thermoplastische FVK-Halbzeuge weiterverarbeitet?

Answer 5

• 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

Question 6

Was sind “Bulk Moulding Compounds” (BMC)

Answer 6

-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)

Question 7

Herstellungsverfahren von BMC

Answer 7

->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

Question 8

Was sind duroplastische Prepegs

Answer 8

• 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)

Question 9

Schematische Herstellung von duroplastischen Prepregs mit Tränkbad

Answer 9

-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)

Question 10

Schematische Herstellung von duroplastischen Prepregs über Trägerfolien

Answer 10

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

Question 11

Was sind duroplastische Towpregs

Answer 11

• 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)

Question 12

Was sind Organobleche

Answer 12

-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

Question 13

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

Answer 13

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

• Doppelbandpressprozess
• Etagenpressprozess
• Intervallpressprozess

Question 14

Produktionsschritte des Intervallpressprozesses zur Herstellung von Organoblechen

Answer 14

Semi-kontinuierlicher Herstellungsprozess

• > Abwickelstationen:
• Matrixfolie
• Faserhalbzeuge
• Trennbleche

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

->Konfektionieren

Question 15

Produktionsschritte des Doppelbandprozesses zur Herstellung von Organoblechen

Answer 15

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)

Question 16

Produktionsschritte des Intervallpressprozesses zur Herstellung von Organoblechen

Answer 16

Semi-kontinuierlicher Herstellungsprozess

• > Abwickelstationen:
• Matrixfolie
• Faserhalbzeuge
• Trennbleche

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

->Konfektionieren

Question 17

Einfluss des Spreizungsprozesses beim Schmelzimprägnierverfahren zur Herstellung von UD-Tapes

Answer 17

• 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

Question 18

Produktionseinheiten des Schmelzimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes

Answer 18

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

Question 19

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

Answer 19

-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

Question 20

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

Answer 20

• 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

Question 21

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

Answer 21

• 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

Question 22

Ablauf des Lösungsmittelimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen

Answer 22

• 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

Question 23

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

Answer 23

->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

Question 24

Ablauf des Pulverimprägnierverfahrens zur Herstellung von UD-Tapes oder Organoblechen

Answer 24

• 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

Question 25

Was sind Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)

Answer 25

-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

Question 26

Schematischer Herstellungsprozess des “Stranggranulierens” für faserverstärkte Thermoplaste

Answer 26

• 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

Question 27

Was sind glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT)

Answer 27

• 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)

Question 28

Schematischer Herstellungsprozess des Schmelzimprägnierverfahrens für glasmattenverstärkte Thermoplaste

Answer 28

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

Question 29

Schematischer Herstellungsprozess des Aufschlämmverfahrens für glasmattenverstärkte Thermoplaste

Answer 29

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

Question 30

Was sind “Sheet Moulding Compounds” (SMC)

Answer 30

• 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)

Question 31

Schematische SMC-Herstellung

Answer 31

• 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

Question 32

Trends in SMC-Materialien

Answer 32

• High-Performance SMC (HP-SMC): optimierte Rezepturen, z.B. mit Epoxidharz
• SMC aus rezyklierten C-Fasern: Integration von rezyklierten Kohlenstofffasern als Recyclingstrategie

Question 33

Was sind UD-Tapes?

Answer 33

• 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