Das IFW forscht seit dem 1. November im durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt „TheSaLab“ an einer innovativen Herstellung von thermoplastischen Sandwichstrukturen mittels laserbasiertem in-situ Thermoplast Automated Fiber Placement (TAFP). Mit der Forschung wird das Wissen über Prozessparameter und deren Einfluss auf die Anbindungsfestigkeit von Decklagen und Schaumkern vertieft. So entsteht die Grundlage für die Herstellung individuell gekrümmter thermoplastischer Sandwichstrukturen mittels TAFP.
Strukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bieten aufgrund der hohen spezifischen Festigkeiten ein enormes Leichtbaupotenzial. In den letzten Jahren ging der Trend von duroplastischen zu thermoplastischen Materialien, um die Vorteile der Recyclierbarkeit sowie des Fügens zweier Bauteile durch lokales Aufschmelzen der Matrix nutzen zu können. Ein besonders gutes Verhältnis von mechanischen Eigenschaften zum Gewicht wird durch Sandwichstrukturen erreicht. Die Herstellung von thermoplastischen Sandwichstrukturen mit den gängigen Verfahren ist aktuell allerdings auf ebene Bauteile beschränkt. Vereinzelte Ansätze zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen erfordern hochkomplexe Werkzeuge sowie mehrschrittige Fertigungsprozesse und sind zudem auf eine einzige festzulegende Form begrenzt.
Das Thermoplast Automated Fiber Placement (TAFP) bietet hingegen einen flexiblen Faserverbund-Fertigungsprozess. Für Prozesse, in denen gleichartige Halbzeuge verwendet werden, existiert bereits ein umfassendes Prozessverständnis. Allerdings fehlt das Wissen über die Wirkmechanismen und die Ausprägung der optisch-thermomechanischen Wechselwirkungen bei der Ablage von anisotropen Tapes auf isotrope Schaumstrukturen. In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung einer kohäsiven Anbindung zwischen abgelegten Tapes und Schaumkern unter TAFP Prozessbedingungen prinzipiell möglich ist. Allerdings kommt es bei der Wahl ungeeigneter Prozessparameter zu einem lokalen Kollabieren der Schaumstruktur oder zu einer unzureichenden kohäsiven Anbindung der beiden Fügepartner.
Das Ziel des Projektes TheSaLab ist daher, ein grundlegendes Verständnis über die Zusammenhänge der optischen-thermomechanischen Wechselwirkungen in der Heiz- und Fügezone bei der Ablage kohlenstofffaserverstärkter thermoplastischer Tapes auf thermoplastischen Schaumkernen mittels laserbasiertem TAFP zu entwickeln. Hierzu wird in einem ersten Schritt die optische Interaktion der Laserstrahlung mit dem Schaummaterial und den Prepreg-Tapes untersucht. Anschließend wird die aus der Reflexions-, Absorptions- und Transmissionscharakteristik der beiden Fügepartner resultierende Leistungsverteilung in der Heizzone in Abhängigkeit der Lasereinstellungen modellbasiert bestimmt. Des Weiteren werden das Schaum- und Konsolidierungsrollenverhalten unter Prozessparametern mechanisch charakterisiert und in Materialmodelle überführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Anschluss in ein thermomechanisches Prozessmodell zusammengeführt und validiert. Über eine Kopplung des thermomechanischen Prozessmodells mit einem Verbindungsfestigkeitsmodell wird der Einfluss der Prozessparameter auf die Anbindungsqualität zwischen abgelegten Tapeschichten und Schaumkern erforscht.
Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen Dr.-Ing. Carsten Schmidt, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 4141 77638 11 oder per E-Mail ([email protected]) gern zur Verfügung.
