Beanspruchungsgerechte Faserverbundstrukturen aus Hybridgarn-Textil-Thermoplasten (HGTT)

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1 Beanspruchungsgerechte Faserverbundstrukturen aus Hybridgarn-Textil-Thermoplasten (HGTT) Einordnung in den Gesamtprozess Bauteilauslegung Zuschnittgenerierung Lagenzuschnitt Preformaufbau Konsolidieren durch Heißpressen Qualitätssicherung Betriebswirtschaftliche Betrachtungen Folie 2

2 Gliederung 1. Einleitung zu Faserverbundwerkstoffen 2. Charakteristik von Hybridgarn-Textil-Thermoplasten 3. Definition eines Demonstratorbauteils für das Projekt EFFEKT 4. Auslegung des Demonstratorbauteils Folie 3 Einleitung zu Faserverbundwerkstoffen Prinzipieller Aufbau Faserverbundwerkstoffe bestehen aus zwei Komponenten, der Matrix und den Verstärkungsfasern Mechanische Eigenschaften vorrangig durch Verstärkungsfasern bestimmt Matrix übernimmt stützende Funktion Anhand der Faserlänge Unterscheidung in Kurz-, Lang- oder Endlosfasern Höchste mechanische Eigenschaften bei Endlosfaserverstärkung Schematischer Aufbau eines Faserverbundwerkstoffes Endlosfasern in Form textiler Strukturen wie z.b. Gelege oder Gewebe Gängige Faserwerkstoffe Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Naturfasern Matrixwerkstoffe größtenteils duroplastische und thermoplastische Kunststoffe Folie 4

3 Einleitung zu Faserverbundwerkstoffen Eigenschaften Gezielte Einstellung maßgeschneiderter, richtungsabhängiger Eigenschaften durch Wahl von Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung und Gehalt im Bauteil Somit beanspruchungsgerechte Gestaltung und ein hohes Leichtbaupotenzial möglich Polardiagramm eines UD-Geleges (GFK) Polardiagramm eines Gewebes (GFK) Folie 5 Einleitung zu Faserverbundwerkstoffen Verarbeitungstechnologien Art des Herstellungsverfahrens wesentlich durch die Wahl des Matrixmaterials bestimmt Bei Einsatz duroplastischer Kunststoffe vor allem Infusionsverfahren (RTM) sowie SMC oder Prepreg-Verfahren Werkstoffe bzw. Bauteile mit duroplastischer Matrix können nach Aushärten des Harzsystems im Herstellungsprozess nicht wieder thermisch verformt werden Verarbeitung von Thermoplasten vor allem in Heißpressverfahren sowie Spitzgießen und Extrusion (Kurz- und Langfasern) Thermoplastische Matrixwerkstoffe können jederzeit wieder aufgeschmolzen oder thermisch umgeformt werden Thermoplaste zeichnen sich gegenüber Duroplasten durch einen höheren Grad der Automatisierung und geringere Taktzeiten in der Fertigung sowie durch die Möglichkeit zum Recycling aus Folie 6

4 Charakteristik von Hybridgarn-Textil-Thermoplasten Aufbau von Hybridgarnen Filamente von Verstärkungs- und Matrixfasern homogen im Querschnitt verteilt Schematische Darstellung eines Hybridgarnquerschnittes Vorteile Minimale Fließwege, da Matrix bereits in textiler Struktur verteilt Geringe Konsolidierungsdrücke Großserientaugliche Taktzeiten möglich Folie 7 Charakteristik von Hybridgarn-Textil-Thermoplasten Verarbeitung Großserientaugliche und effiziente Verarbeitung in automatisierten Prozessen Konsolidieren textiler Preformen im Heißpressverfahren Preformen je nach Art des textilen Fertigungsprozesses bereits entsprechend späterer Bauteilgeometrie konfektioniert Alternativ Zuschnitt aus Rollenware mit anschließendem Preformaufbau Hybridgarne Textile Halbzeuge Verbundkomponenten Folie 8

5 Definition eines Demonstratorbauteils für EFFEKT Verschiedene Krümmungsradien Hohe und verschieden große Umformgrade und in einem Schritt möglich Integrierte Bauteilausschnitte Integration zusätzlicher Funktionselemente Minimierung von Nachbearbeitung Unterschiedliche Wandstärken Variation des Bauteilquerschnittes in einem einstufigen Prozess Anpassung an größere Lasten Lokale Versteifung Verschiedene Krümmungswinkel Hohe und verschieden große Umformgrade in einem Schritt möglich Doppelt gekrümmte Flächen Darstellung von Sicken mit beliebigen Krümmungen möglich Globale Versteifung Konkave und konvexe Flächen Darstellung beliebiger Bauteilkrümmungen Folie 9 Auslegung des Demonstratorbauteils Konzeptionelle Vorstudien Version 1: Versteifungssicken im Bereich der Körperkanten Erhöhte Wandstärke im Bereich der Lasteinleitung (3-5 mm) Version 2: Versteifungssicken auf den Körperflächen Erhöhte Wandstärke im Bereich der Lasteinleitung ( mm) Version 1 Version 2+3 Version 3: Versteifungssicken auf den Körperflächen Erhöhte Wandstärke im Bereich der Lasteinleitung (3-4,5-6 mm) Lasteinleitung als Mulde ausgeführt Folie 10

6 Auslegung des Demonstratorbauteils Konzeptionelle Vorstudien - Numerische Simulation Version 1 Version 3 Vergleichsspannung nach Mises Vergleichsspannung nach Mises 210 MPa 160 MPa Randbedingungen Statische Last = 500 N Isotropes Materialverhalten Funktionelle Anforderung: max. Durchbiegung = 5 mm Werkstoffliche Anforderung: max. Spannung < 300 MPa Durchbiegung Durchbiegung 9,1 mm 4,8 mm Folie 11 Auslegung des Demonstratorbauteils Ermittlung eines angepassten Lagenaufbaus ±45 0 /90 ±60 Quasiisotrop 5,8 mm 5,5 mm 5,3 mm 5,1 mm Beanspruchung (normiert) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer 4 Layer 5 Layer 6 Layer 7 Layer 8 Layer 9 Isotropiert ±45 ±60 0 /90 Layer 10 Layer 11 Layer 12 Zusammenfassung Bei einem quasiisotropen Lagenaufbau wird die geringste Verformung erreicht Die Beanspruchung in den Einzelschichten ist beim quasiisotropen Lagenaufbau am geringsten Folie 12