Zur Pultrusion von thermoplastischen Halbzeugen: Prozessanalys und Modelllbildung (2006)

Zur kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunstoff-Verbunden in Form von Profilen hat sich das Pultrusionsverfahren seit langem erfolgreich industriell etabliert. Bis jetzt wurden fast ausschließlich duroplastische Matrizes verwendet. Aufgrund der zahlreichen Vorteile wecken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend das Interesse der Industrie; der Einsatz und die Fertigung von thermoplastischen Profilen in hohen Stückzahlen werden jedoch bislang wegen mangelnder Grundkenntnisse noch nicht realisiert. In der vorliegenden Arbeit wird der Pultrusionsprozess thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Realisierbarkeit und Optimierung von Prozessparametern untersucht. Ziel war es bereits vorliegende Erkenntnisse zu erweitern und bestehende Wissenslücken zu schließen. Als Ausgangsmaterial wurden verschiedene Garntypen verwendet: ein Garn aus Kohlenstoff- und Polyamid 12-Fasern, ein Mischgarn aus Glas- und Polypropylen-Fasern sowie Polypropylen pulverimprägnierte Glasfasern (sogenannte Towpregs). Besonderes Augenmerk lag auf dem ersten Garntyp aus CF/PA12, der diskontinuierliche Fasern enthält. Mit diesen Materialien wurden unidirektional faserverstärkte, rechteckige und runde Profile hergestellt. Weiterhin wurde der Einfluss von zwei Hauptprozessparametern, die Temperatur der Vorheizzone und der Heizdüse und die Abzugsgeschwindigkeit, sowie von der Länge der Heizdüse auf die Profilqualität analysiert. Die jeweils verwendeten Garntypen, der sich einsstellende Faservolumengehalt sowie der Feuchtigkeitseinfluss wurden zusätzlich systematisch untersucht. Weiterhin wurde die Abzugskraft analysiert. Die Charakterisierung der Pultrudatqualität erfolgte durch mechanische und morphologische Prüfungen. Der Imprägnierungsgrad, die Biegeeigenschaften und die Scherfestigkeit, sowie zweitrangig die Charpy-Schlagzähigkeit und die Zugeigenschaften wurden hierzu ermittelt und anschließend bewertet. Weiterhin wurde die Oberflächenqualität mittels Laserprofilometrie untersucht. Einen entscheidenden Faktor stellte die Abzugsgeschwindigkeit dar. Bis auf die Oberfläche wurden Verschlechterungen der Imprägnierung und der mechanischen Eigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit beobachtet. Weiterhin wurde der Abkühlungsprozess untersucht. Die bei der Pultrusion vorhandenen Abkühlraten sind sehr hoch und werden von der Abzugsgeschwindigkeit sowie der Kühldüsentemperatur beeinflusst.Die Erstellung eines Verarbeitungsfensters für das Garn aus CF/PA12 wurde erfolgreich durch Verwendung einer Qualitätskennzahl durchgeführt. Des Weiteren wurde die Erstarrung und der Prozess der Kristallisation aus der Schmelze für das CF/PA12 System näher untersucht. Zur Beschreibung der isothermen sowie nicht-isothermen Kristallisationskinetik wurden verschiedene Methoden angewandt. In diesem Zusammenhang lieferten das Modell von Chuah zufriedenstellende Ergebnisse. Weiterhin erfolgte die Modellierung der Wärmeübertragung zur Vorhersage der Temperatur im Material während der Pultrusion mit der Finiten Elemente Methode. Aufbauend hierauf können im Versuchsvorfeld die am besten geeigneten Werkzeugtemperatur-/Abzugsgeschwindigkeitskombinationen eingestellt werden.