Entwicklung eines optimierten Halbzeugherstellungsprozesses für kohlenstofffaserverstärktes Sheet Moulding Compound = Development of an optimized process for the manufacturing of carbon fibre reinforced sheet moulding compound
Creators: name: Reiß, Markus
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: CF-SMC
sheet moulding compound
short fibre reinforcement
heavy tow
carbon fibre

description: Glasfaserverstärkter Sheet Moulding Compound (GF-SMC) stellt eine Werkstoffgruppe dar, die schon seit langer Zeit Anwendungen in der Automobilindustrie im Bereich der Metallsubstitution, vor allem bei lackierten Bauteilen der Außenhaut findet. Jüngste Aktivitäten innerhalb der Weiterentwicklung dieses Verfahrens sehen die Substitution der bisher verwendeten Verstärkungsfasern durch hoch leistungsfähige Kohlenstofffasern vor. Dieser Schritt führt zu einer Steigerung der mechanischen Eigenschaften der auf diese Weise verstärkten Werkstoffe (CF-SMC) gegenüber der GF-SMC-Varianten. Im Vergleich zu den etablierten Werkstoffen der Faserverbundtechnologien liegen die mechanischen Kennwerte der CF-SMC-Varianten jedoch auf einem geringen Niveau. Daher stellen diese Werkstoffe zum heutigen Zeitpunkt bei der Realisierung von geometrisch hochkomplexen Knotenelementen zur Verbindung von stabförmigen Profilen einer selbsttragenden Karosseriestruktur keine Alternative gegenüber den Aluminium-Druckguss-Werkstoffen dar. 
Die Hypothese der vorliegenden Arbeit besteht darin, dass die hohen mechanischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern durch eine nicht optimale Einbettung der Fasern in die Matrix nur unvollständig genutzt werden. Vor allem durch Defekte wie Poren und Fehlstellen im CF-SMC-Halbzeug kommt es zu einem frühzeitigen Versagen der Werkstoffe, was vergleichsweise geringe mechanische Kennwerte zur Folge hat.  
Um einen Überblick über die aktuell auf dem Markt verfügbaren CF-SMC-Werkstoffe zu erhalten, wird im ersten Schritt ein Werkstoff-Benchmark durchgeführt, indem verschiedene Werkstoffsysteme zu geeigneten Prüfkörpern verarbeitet und deren mechanische Kennwerte miteinander verglichen werden. Bereits hier fallen große Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe in Abhängigkeit der Filamentzahl der verwendeten Fasern (12K oder 50K) auf. Zur Schaffung eines tieferen Verständnisses der Wirkzusammenhänge und einer mathematischen Beschreibung des Werkstoffsystems werden mit den Methoden der statistischen Versuchsplanung (DOE) Untersuchungen durchgeführt, in denen die faserbezogenen Parameter bei der Halbzeugherstellung variiert werden. Das Ergebnis dieser umfangreichen Prüfungen zeigt, dass die gewählten Parameter einen der größten Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit von CF-Werkstoffen darstellen und dass durch geeignete Optimierung der Faserparameter die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Werkstoffe über das Niveau der metallischen Konkurrenten angehoben werden können. 
Zur Analyse der Auswirkungen der Parametervariationen auf das prinzipielle Werkstoffverhalten werden innovative Methoden zur Charakterisierung und zum Vergleich der einzelnen Varianten entwickelt. Mit Hilfe der Kontrastmittelmethode ist es beispielsweise unter Verwendung der Röntgenbildgebung möglich, die Art der Werkstoffbewegung anhand der Veränderungen eines gleichmäßigen Rasters im Pressprozess zu visualisieren. Die Bildpunkte des Rasters können detektiert und als Netz finiter Elemente dargestellt werden. Durch den Einsatz geeigneter mathematischer Methoden gelingt es, die Dehnungen der Netzelemente durch das Verpressen zu berechnen. Ein umfangreiches Untersuchungsprogramm dient im Weiteren unter Anwendung der entwickelten Charakterisierungsmethoden dem Nachweis der Veränderungen der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Werkstoffbewegung auf Plattenebene. Dabei können die berechneten Dehnungen des Werkstoffs in der Platte mit ermittelten Zugsteifigkeiten von Referenzproben korreliert werden. Dieser Hinweis auf die Hauptfaserorientierung in Abhängigkeit der E-Moduln steht zusätzlich in starker Wechselwirkung mit den Werten der thermischen Längenausdehnungskoeffizienten (LAK) der Werkstoffe. Die mit den vorgestellten Untersuchungen nachgewiesenen Zusammenhänge bilden die Grundlage einer innovativen Methode zur Bestimmung der Hauptfaserorientierung in CF-SMC-Laminaten. 
Mit Hilfe weitergehender Analysen kann gezeigt werden, dass die mechanische Leistungsfähigkeit eines CF-SMC-Werkstoffs maßgeblich von der Filamentzahl je Faserbündel und damit von der Breite der Faserabschnitte beeinflusst wird. Um die Wirtschaftlichkeit der Technologie zu steigern, ist es jedoch unumgänglich sogenannte Heavy Tow-Fasern mit hoher Filamentzahl (nF&gt; 24K) zu verwenden. Daher wird eine Vorrichtung entwickelt, die eine Spreizung und Längsteilung des Faserstrangs direkt in der Faserzuführung der SMC-Linie realisiert. Dank der Integration des Systems in den Prozess ist kein zusätzlicher Schritt zur Aufbereitung der Fasern erforderlich, und es werden keine zusätzlichen Prozesskosten verursacht. Die mit dieser Vorrichtung hergestellten Werkstoffe zeigen deutlich gesteigerte mechanische Eigenschaften und bieten zusätzlich Vorteile in Bezug auf deren Rheologie respektive ihres inneren Widerstandes gegen das Verdrängen im Pressprozess. Außerdem wirkt sich die Verfeinerung der Faserbündel positiv auf die Richtungsverteilung der Fasern im Halbzeug aus, wodurch eine gute Isotropie der Werkstoffeigenschaften erreichbar ist. 
Den Ausblick der Arbeit bildet die Definition eines für CF-SMC optimierten Halbzeugherstellungsprozesses. Die Verwendung von Fasern hoher Filamentzahl stellt besondere Anforderungen an den faserbezogenen Teilprozess zwischen Faserspule und Schneidwerk. Daher ist es erforderlich, einige traditionell eingesetzte Prozesselemente zu entfernen, die nicht zu einer hohen Werkstoffqualität beitragen. Hingegen werden innovative Systeme in den Prozess integriert, die zum Teil bereits Anwendung in der Textilindustrie bei der CF-Tapeherstellung finden. 
Zusammenfassend können die zu Beginn der Arbeit gesetzten Ziele erreicht und die Forschungshypothese bestätigt werden. Mit Hilfe des vorgestellten Methodensets können die spezifischen Eigenschaften von CF-SMC-Werkstoffen charakterisiert und miteinander verglichen werden. Außerdem können durch die Variation der Faserparameter maßgeschneiderte Halbzeuge für den jeweiligen Anwendungsfall entwickelt werden. Die Ziele betreffend der mechanischen Eigenschaften des 50K-SMC-Werkstoffs zur Darstellung von Knotenelementen für die Verbindung von CFK-Profilen können durch optimierte Prozessschritte erreicht werden. Nachfolgende Untersuchungen im Bereich der Halbzeugherstellung sollten sich daher mit der SMC-Paste und deren Konfiguration befassen. Am Anfang stehen hierbei die Grundkomponenten und die Art in der diese vor dem Dispergieren physisch vorliegen. Generell sollte hierbei darauf geachtet werden, dass möglichst wenig Luft beim Mischprozess in die Paste eindringt, um die Bildung von Mikroporen im Laminat zu verhindern. Ein Ansatz hierbei wäre ein vakuumunterstützter Rührprozess oder weitere innovative Lösungen zur Minimierung der mikroskopischen Fehlstellen bereits im Halbzeug. Der nächste Schritt stellt die Definition einer optimalen Pastenviskosität im Imprägnierprozess in Zusammenhang mit dem Flächengewicht der geschnittenen Fasern dar.  
Weiterführende Entwicklungen zur Unterstützung der Bauteilproduktion müssen die Erstellung und Validierung einer geeigneten Prozesssimulation als Ziel definieren. Hierbei kann die vorgestellte Visualisierungsmethode anhand des Kontrastmittelrasters beitragen. Des Weiteren müssen sogenannte Werkstoffkarten zur strukturellen Auslegung und Struktursimulation der Zielbauteile erstellt werden, die anschließend durch mechanische Prüfungen auf Bauteilebene verifiziert werden müssen.