Die Diaphragma-Technik, ein Anlagenkonzept zur automatisierten Fertigung kontinuierlich faserverstärkter Thermoplastbauteile

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1 Research Collection Doctoral Thesis Die Diaphragma-Technik, ein Anlagenkonzept zur automatisierten Fertigung kontinuierlich faserverstärkter Thermoplastbauteile Author(s): Delaloye, Stéphane Publication Date: 1995 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Dissertation ETH Nr Die Diaphragma-Technik, ein Anlagenkonzept zur automatisierten Fertigung kontinuierlich faserverstärkter Thermoplastbauteile ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von Stephane Delaloye Dipl. Masch. Ing. ETH Zürich geboren am 25. September 1964 von Sion (VS) Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. M. Flemming, Referent Prof. Dr. F. Rehsteiner, Korreferent 1995

3 12.0 ZUSAMMENFASSUNG Das Ziel dieser Arbeit war die systematische Entwicklung einer Anlage, die die automatisierte Fertigung von kontinuierlich faserverstärkten Thermoplastbauteilen, unter Berücksichtigung folgender Anforderungen, ermöglichen sollte : hohe Laminatqualität bei komplexer Bauteilgeometrie, Prozessautomatisierung, kurze Taktzeiten. Somit könnten die Hauptvorteile der FaserverbundwerkstofFe mit thermoplastischen Matrixsystemen wie: hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit, hohe Schadenstoleranz und chemische Beständigkeit, verhältnismässig einfache Verarbeitung zu Strukturbauteilen, in einem wirtschaftlichen Fertigungsprozess für qualitativ hochwertige Bauteile umgesetzt werden. Unter den verschiedenen Formen der Presstechnik wird die Diaphragma- Umformtechnik als geeignetes Fertigungsverfahren für Bauteile komplexer Geometrie Laminat und Werkzeug aufheizen, Laminat umformen, Laminat konsolidieren, Laminat und Werkzeug abkühlen vorwiegend die konvektive Aufheizphase im Autoklaven für lange Taktzeiten verantwortlich ist. Aus diesem Grund wurde die Infrarot-Strahlungsheizung als leistungsfähige Aufheizmethode sowohl für das thermoplastische Laminat als auch für das Umformwerkzeug selektiert. Die dadurch verursachte Zeiteinsparung wurde experimentell anhand von Aufheizversuchen nachgewiesen. Durchschnittliche Aufheizraten von ca 85 C/min wurden an der Oberfläche von kohlenstoffaserverstärkten PEI-Laminaten gemessen. Darüber hinaus wurde durch die gezielte Heizleistungssteuerung der IR-Strahler eine homogene Temperaturverteilung auf der Laminatoberfläche sowie durch die Laminatdicke erzielt. betrachtet. Mit Fertigungszeiten von ca. 60min für den optimierten Diaphragma- Umformprozess im heissen Autoklaven wird jedoch eine Hauptvoraussetzung für eine kostengünstige Serienfertigung nicht erfüllt. Die Analyse des Fertigungsprozesses hat gezeigt, dass unter den vier Teilprozessen : -167-

4 Zusammenfassung Das Infrarot-Aufheizverhalten des Umformwerkzeuges wurde in Abhängigkeit vom Werkzeugmaterial anhand von zwei unterschiedlichen Konzepten untersucht: dickwandige, lasttragende Werkzeuge aus giessbaren Keramiken und Graphit, schalenförmige Leichtbauwerkzeuge aus NiCr-Legierungen und SiCfaserverstärkten Keramiken. Die höchsten Aufheizraten wurden an der Oberfläche der schalenförmigen Werkzeuge gemessen. Das beidseitige IR-Aufheizen hat zu Aufheizraten von 80 C/min für das metallische Werkzeug auf NiCr-Basis bzw. 100 C/min für das SiC-faserverstärkte Keramikwerkzeug geführt. Nachteilig beim faserverstärkten Keramikwerkzeug ist seine mangelhafte Vakuumintegrität, die ohne Versiegelung der Werkzeugoberfläche den Umformvorgang stark behindert. Durch die erzielte Verkürzung der Aufheizphase auf ca. 5min sowohl für das thermoplastische Laminat als auch für das Umformwerkzeug wurden somit Voraussetzungen geschaffen, hochtemperaturbeständige faserverstärkte Thermoplastbauteile mit kurzen Taktzeiten zu fertigen. Zusammen mit der Prozessautomatisierung wurden diese Erkenntnisse in die Entwicklung der Diaphragma-Umformanlage umgesetzt. Die automatisierte Diaphragma-Umformanlage wurde als zweiteiliger Druckkessel mit integrierten IR-Heizfeldern konzipiert. eines Handling-Systems zwischen den beiden in vertikaler Richtung beweglichen Kesselhälften abgelegt, während das schalenförmige, metallische Umformwerkzeug in Das umzuformende Laminat wird mit Hilfe der unteren Kesselhälfte positioniert ist. Im Verlauf der Vorheizphase wird eine externe IR-Heizung eingesetzt, die das beidseitige Aufheizen des Laminates und des Umformwerkzeuges ermöglicht. Die Umform- und Konsolidierungsphase erfolgt isotherm oberhalb der Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix. Die beidseitige Abkühlung des Laminat/Werkzeug-Aufbaus findet unter Druck durch gerichtete, erzwungene Konvektion statt. Anschliessend wird das umgeformte Bauteil mit dem Handling-System entformt und die Anlage neu beladen. Der Funktionalitätsnachweis und die Überprüfung der Serientauglichkeit wurden anhand der Fertigung eines Demonstrationsbauteils, des Spoilers des neuen Dornier Flugzeuges DO-328, durchgeführt. Dabei wurden Taktzeiten von 11.5min für faserverstärkte PEI-Laminate bzw. 13min für PEEK-Laminate erreicht, was einer 80%igen Verkürzung der Fertigungszeiten, verglichen mit dem "state of the art" Umformen im Autoklaven, entspricht. Nach der mechanischen und optischen Analyse der Laminatqualität wurden keine nennenswerten Unterschiede zu dem im Autoklaven gefertigten Referenzbauteil festgestellt. Somit wurde im Rahmen dieser Arbeit bewiesen, dass die Automatisierung des Diaphragma-Umformprozesses, angewendet an kontinuierlich faserverstärkten hochtemperaturbeständigen Thermoplasten, die Fertigung von qualitativ hochwertigen Strukturbauteilen komplexer Geometrie mit kurzen Taktzeiten ermöglicht

5 13.0 SUMMARY The aim of this work was the development of a new machine concept for the automated manufacturing of continuous fiber reinforced thermoplastic parts with respect following requirements: high laminate quality for complex part geometry, automation ofthe process, short cycle time. to the Therefore it should be possible to make use of the advantages of composite materials based on thermoplastic matrices like: high specific sriffhess and strength, high damage tolerance and chemical resistance, relative ease of manufacturing for the economic manufacturing of high quality components. Among the different press forming techniques for thermoplastic composites the diaphragm-forming process is considered to be the most suitable one for complex shaped parts. However with overall cycle time of about 60min for the optimised diaphragm forming process in hot autoclaves the main condition for a cost effective series production is not fulfilled. The analysis of the forming process has shown that of the four manufacturing Steps : laminate and tool heating, laminate forming, laminate consolidation, laminate and tool cooling the convective heat-up phase in the autoclave is mainly responsible for the long cycle times. For this reason the infrared-radiant heating has been selected as a highly efficient heating technique for both the thermoplastic laminate and the forming tool. The associated reduction of cycle time has been characterised during heat-up experiments. Average heat-up rates of 85cC/min have been measured on the surface of carbon fiber reinforced PEI-laminates. It has been further established, that the selective heating power control of the IR-heaters allows a homogenous temperature distribution over the laminate surface as well as through the laminate thickness

6 Summary The infrared heating behaviour of the forming tool has been studied as a function of the tooling material for two different tooling concepts : thick walled tools made from castable ceramics and graphite, lightweight shell tools made from NiCr-alloys and SiC-fiber reinforced ceramics. The highest heat-up rates have been measured on the surface of the shell tools with 80 C/min for the metallic tool heated on both sides and 100 C/min for the SiC-fiber reinforced tool. Unfortunately the poor vacuum integrity of that tool with unsealed surfaces doesn't allow the thermoplastic laminate to be completely formed. Taking into account the achieved reduction of the heat-up phase down to 5min for the laminate as well as for the forming tool, the conditions for the manufacturing of advanced thermoplastic composite parts with short cycle times are fulfilled. Consequently the development of the diaphragm-forming machine has been focused on this aspect and on the process automation. The automated diaphragm-forming machine has been designed as a two-piece pressure vessel with integrated IR-heaters. Using a handling-system the laminate to be formed is positioned between the two halves of the pressure vessel, which are vertically moveable. The lightweight metallic tool is placed in the lower half of the pressure vessel. During the pre-heating phase an external ER-unit is used for heating up the laminate as well as the tool on both sides. The forming and consolidation of the laminate occurs isothermally above the melt temperature of the thermoplastic matrix system. The bothsides cooling of the laminate/tool-combination takes place under pressure by oriented forced convection. Finally using the handling-system the formed part is removed and the forming machine loaded again. The functionality of the automated diaphragm-forming machine for series production has been demonstrated with the manufacturing of the spoiler of the new DO-328 Dornier commuter aircraft. Overall cycle times of 11.5min for über reinforced PEIlaminates and 13min for PEEK-laminates have been reached. This corresponds to an 80% reduction of the cyle times compared with the State of the art diaphragm-forming process in hot autoclave. The results of the mechanical and optical analysis of the laminate quality show neglectible differences compared to the autoclave formed reference spoiler. Thus it has been proven, that the automation of the diaphragm-forming process for advanced thermoplastic composites allows the maufacturing of high quality, complex shaped parts with short cycle times