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000958933 245__ $$aOptimierung der Produktivität des Polyurethan-Pultrusionsprozesses$$cvorgelegt von Benedikt Heiko Kilian$$honline, print
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000958933 500__ $$aDruckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
000958933 502__ $$aDissertation, RWTH Aachen University, 2022$$bDissertation$$cRWTH Aachen University$$d2022$$gFak04$$o2022-12-16
000958933 5203_ $$aEin breiterer Einsatz von Profilen aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen setzt eine stärkere Industrialisierung des Pultrusionsprozesses voraus, was insbesondere eine weitere Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit ohne Verminderung der Bauteilqualität oder Prozessstabilität erfordert. Aufgrund der hierdurch verringerten Zeit für die Imprägnierung der Verstärkungsfasern und für die Aushärtung des Reaktionsharzes sowie der tendenziell steigenden Abzugskraft besteht Forschungsbedarf hinsichtlich einer optimierten Injektionsboxgeometrie, einer optimierten Heizstrategie sowie zur Verringerung der entstehenden Abzugskraft. Vor diesem Hintergrund leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zum grundlegenden Prozessverständnis. Es wird untersucht, wie die Imprägnierung, Aushärtung und Entstehung der Abzugskraft bei hohen Pultrusionsgeschwindigkeiten verbessert werden können. Auf Basis der Ergebnisse von Experimenten mit einer Injektionsbox mit variablem Öffnungswinkel kann eine Injektionsboxgeometrie spezifiziert werden, die Prozessstabilität und gleichbleibende Bauteileigenschaften über einen breiten Geschwindigkeitsbereich gewährleistet. Zudem wird gezeigt, dass die Verringerung des Öffnungswinkels den entscheidenden Hebel zur Erreichung eines höheren Imprägnierdrucks darstellt. Dies erfordert allerdings eine entsprechend steif ausgelegte Werkzeugtechnik und führt gleichzeitig zu einer tendenziell größeren Abzugskraft. In Verbindung mit optimierten Werkzeugtemperaturen, die mithilfe von Machine-Learning-Modellen und verschiedenen Optimierungsalgorithmen identifiziert wurden, kann die Produktionsgeschwindigkeit theoretisch um 35 % im Vergleich zum Referenzpunkt gesteigert werden, ohne dass sich die Bauteilqualität verschlechtert. Die optimale Heizstrategie sieht abweichend vom Stand der Technik eine schnelle Wärmeeinbringung sowie eine aktive Kühlung von hinteren Teilbereichen des Werkzeugs vor. Der charakteristische Verlauf der umsatzabhängigen Reibungszahl zeigt jedoch, dass dies mit einer Steigerung der Abzugskraft einhergehen würde. Zudem ist eine effektive thermische Trennung von Injektionsbox und Werkzeug nötig, um eine ausreichende Prozessstabilität zu gewährleisten. Unabhängig von der Werkzeugbeschichtung wäre im Hinblick auf eine geringe Abzugskraft eine möglichst lange Flüssigzone im Werkzeug optimal. Dies steht allerdings im Konflikt mit der optimalen Heizstrategie, die eine kurze Flüssigzone zur Folge hat. Demnach ist je nach Anwendungsfall durch Gewichtung der einzelnen Optimierungsmaßnahmen ein Kompromiss zur Erreichung eines globalen Optimums erforderlich.$$lger
000958933 520__ $$aWider use of profiles made from continuous fiber-reinforced plastics presupposes greater industrialization of the pultrusion process, which in particular requires a further increase in production speed without reducing component quality or process stability. Due to the resulting reduced time for the impregnation of the reinforcing fibers and for the curing of the reactive resin, as well as the tendency towards increasing pull force, there is a need for research with regard to an optimized injection box geometry, an optimized heating strategy and for reducing the resulting pull force. Against this background, the present work contributes to the fundamental understanding of the pultrusion process. It is investigated how the impregnation, curing and emergence of the pull force can be improved at high pultrusion speeds. Based on the results of experiments with an injection box with a variable opening angle, an injection box geometry can be specified that ensures process stability and consistent part properties over a wide range of process speeds. In addition, it is shown that reducing the opening angle is the decisive lever for achieving a higher impregnation pressure. However, this requires a correspondingly stiff mold design and at the same time tends to result in a greater pull force. In conjunction with optimized mold temperatures identified with the aid of machine learning models and various optimization algorithms, production speed can theoretically be increased by 35% compared with the reference point without any deterioration in component quality. In deviation from the state of the art, the optimum heating strategy proposes a rapid heat input and active cooling of rear sections of the mold. However, the characteristic curve of the degree-of-cure-dependent coefficient of friction shows that this would be accompanied by an increase in the pull force. In addition, effective thermal separation of the injection box and mold is necessary to ensure sufficient process stability. Regardless of the mold surface coating, the longest possible liquid zone in the mold would be optimal in terms of low pull force. However, this conflicts with the optimum heating strategy, which results in a short liquid zone. Accordingly, depending on the application, a compromise is required to achieve a global optimum by weighting the individual optimization measures.$$leng
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000958933 653_7 $$aFaserverbundkunststoffe
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