Ultraschallfertigung von faserverstärkten Kunststoffen

Gomer, Andreas; Schomburg, Werner; Worgull, Matthias

doi:HT020037051

Ultraschallfertigung von faserverstärkten Kunststoffen = Ultrasonic fabrication of fibre reinforced plastics

Gomer, Andreas^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Gomer

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (119 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner (Thesis advisor)^RWTH* ; Worgull, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-04-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-03610
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/759482/files/759482.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFK (frei) ; FVK (frei) ; GFK (frei) ; Ultraschall (frei) ; Ultraschallfertigung (frei) ; composites (frei) ; faserverstärkte Kunststoffe (frei) ; glasfaserverstärkter Kunststoff (frei) ; kohlenstofffaserverstärker Kunststoff (frei) ; prepregs (frei) ; pultrusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) finden aufgrund ihrer hohen mechanischen Belastbarkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht zunehmend Verwendung im Fahr- und Flugzeugbau, wo sie zur Reduktion von Energieverbrauch und Schadstoff-emission beitragen. Nachteilig sind jedoch ihre hohen Werkstoffkosten. Hierzu trägt neben den Kosten für Rohmaterialien die Fertigung von CFK bei, die durch hohe Investitionskosten für Anlagen sowie lange Prozesszykluszeiten gekennzeichnet ist. Bei der Ultraschallfertigung hingegen betragen die Investitionskosten für die Maschinen wenige Zehntausend Euro. Ferner kann eine Vielzahl thermoplastischer Polymere verarbeitet werden und die Prozesszykluszeiten betragen nur wenige Sekunden. Daher war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Ultraschallfertigung als ein neues, mögliches Verfahren zur Herstellung von CFK zu untersuchen. Hierfür wurde zunächst ein standardisiertes Vorgehen zur Herstellung der Proben und Durchführung von Zugversuchen zur Bestimmung der mechanischen Belastbarkeit definiert. Diese Standards trugen dazu bei, die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Anschließend erfolgte der Entwicklung des Prozesses der Ultraschallfertigung von CFK, bei dem trockene und unbehandelte Kohlenstofffasern zwischen festen, als Matrix dienenden, Polymerfolien positioniert und mithilfe von Ultraschall zu ein- und mehrlagigen CFK verarbeitet wurden. Durch eine geeignete Auswahl von Prozessparametern und Dicke der Polymerfolien wurden CFK-Proben hergestellt, bei denen die Fasern vollständig in die Matrix eingebettet wurden und homogen über den Probenquerschnitt verteilt vorlagen. Die Anzahl der verwendeten Faser- und Folienlagen wurde sukzessive erhöht und CFK mit bis zu 20 Faserlagen sowie einer Gesamtdicke von 2,5 mm hergestellt. Bei einem Faserfüllgrad von 31,6 Vol.-% betrug die maximale Zugfestigkeit 1,24 GPa. Es wurde gezeigt, dass bei der Ultraschallfertigung gängige Thermoplaste wie PP, PE, PC, PA6 und PEEK verwendet werden können. Neben unidirektionalen CFK wurden durch die Verwendung von Geweben multidirektionale CFK-Platten mit einer Abmessung von 116 mm × 64 mm × 1,2 mm gefertigt. Darüber hinaus konnten bei gleichbleibendem Versuchsaufbau mittels der Ultraschallfertigung neben Kohlenstoff- auch Glasfasern zu glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) verarbeitet werden. Durch den Einsatz von rotierenden Rundsonotroden wurde die kontinuierliche Ultraschallfertigung von CFK demonstriert. Hierbei konnten ca. 30 cm lange CFK-Proben mit bis zu drei Faserlagen und einer Matrix aus PP, PE oder PA6 hergestellt werden. Bei einem Faserfüllgrad von 21 Vol.-% betrug die Zugfestigkeit dieser CFK 847 MPa. Des Weiteren war es durch eine Erweiterung des Versuchsaufbaus möglich, mithilfe der Ultraschallfertigung dreidimensionale Bauteile herzustellen. Außer der Herstellung von CFK wurde in der vorliegenden Arbeit zudem das Fügen zweier konventionell gefertigter CFK mittels Ultraschallschweißen untersucht. Neben thermoplastischen CFK konnten erstmals zwei an ihren Fügeflächen vorbehandelte duroplastische CFK verbunden werden. Die Scherfestigkeit betrug ca. 19,4 MPa.

Due to their high mechanical resilience and low weight, Carbon Fibre Reinforced Plastics (CFRP) are used increasingly in the field of aviation or automotive, where they help to reduce energy consumption or pollutant emissions. However, the major drawback of CFRP is their high material costs. Besides the costs for raw materials, the fabrication of CFRP itself requiring high investment costs for machinery and long overall processing times result in the high material costs of CFRP. On the other hand, required investment costs for ultrasonic welding machines are in the order of some ten thousand Euros. Furthermore, various thermoplastic polymer materials can be processed within some seconds. Therefore, it was the goal of this work to examine ultrasonic processing for the fabrication of CFRP. In the beginning of the work, a standardized process was defined for manufacturing of the samples and performing of mechanical tensile tests. Those standards were applied in the following and helped increasing the reproducibility of fabrication as well as the comparability of the results of tensile tests. Afterwards, the ultrasonic fabrication process of CFRP was developed systematically. Dry and untreated carbon fibres between solid polymer foils serving as a matrix were ultrasonically processed to single-layered and multi-layered CFRP. By choosing suitable process parameters and the thickness of the polymer material, CFRP samples were ultrasonically fabricated. In this process, all carbon fibres were embedded completely into the matrix and homogenously distributed over the cross section of the CFRP. The number of carbon fibre layers was increased successively up to 20 layers and CFRP with a total thickness of up to 2.5 mm were manufactured. Furthermore, a fibre volume content of the CFRP of 31.6 % and a tensile strength of 1.24 GPa were achieved. The experiments showed that common thermoplastic polymer materials such as PP, PE, PC, PA6 and PEEK can be processed ultrasonically. Besides unidirectional CFRP made from carbon fibre roving, multidirectional CFRP plates with dimensions of 116 mm × 64 mm ×1.2 mm were fabricated by employing carbon fibre canvas. Furthermore, ultrasonic processing also allowed to process glass fibres to Glass Fibre Reinforced Plastics (GFRP). Additionally, the continuous ultrasonic fabrication of CFRP was demonstrated by using a disk-shaped rotating sonotrode. That way, CFRP samples with a length of approximately 30 cm and a matrix from PP, PE and PA6 were fabricated. A fibre volume content of 21 % and a tensile strength of 847 MPa were achieved. Besides the ultrasonic fabrication of CFRP this work also examined the bonding of two conventionally fabricated CFRP by using ultrasonic welding. Besides bonding of two thermoplastic CFRP, it was demonstrated that thermoset CFRP can be bonded ultrasonically as well. The achieved lap sheer strength of the bonding was 19.4 MPa.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)