Das Erwärmungsverhalten thermoplastischer Faserkunststoffverbunde durch Ausnutzung des Joule’schen Effekts

Abstract

Die Weiterverarbeitung thermoplastischer endlosfaserverstärkter Halbzeuge gilt als ein effizienter und automatisierbarer Herstellungsprozess von Faserkunststoffverbunden in Serienanwendungen. Bei der Verarbeitung werden die thermoplastischen Halbzeuge zunächst auf Endkontur geschnitten, dann erwärmt und zum Beispiel als Einleger im Spritzgießprozess hinterspritzt. Der Prozess läuft in der Regel vollautomatisiert ab. Als Erwärmungsmethoden kommen die gängigen Wärmeübertragungsprinzipien zum Einsatz. Für Faserkunststoffverbunde besteht unter anderem bei der Verarbeitung nach wie vor enormes Potenzial, die Umweltbilanz zu verbessern. Insbesondere lässt sich der Wirkungsgrad der Erwärmung steigern. Eine neuartige Erwärmungsmethode für kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Halbzeuge stellt die Joule'sche Erwärmung dar. Trotz des theoretisch enorm hohen Wirkungsgrads ist die Joule'sche Erwärmung faserverstärkter Halbzeuge jedoch bisher wenig erforscht und findet keine Anwendung im industriellen Umfeld. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, den Erwärmungsprozess thermoplastischer Prepregs durch Ausnutzung des Joule'schen Effekts zu analysieren und so Verfahrensgrenzen und Prozessparameter zu evaluieren. Dabei wird der Einfluss der Kontaktierung, der verwendeten Werkstoffe sowie der Größe und Geometrie der zu erwärmenden Halbzeuge auf die Zielgrößen mittlere Bauteiltemperatur, Temperaturverteilung, Wirkungsgrad sowie Bauteil- und Prozessqualität experimentell bestimmt. Zusätzlich erfolgt eine numerische Vorhersage des Erwärmungsprozesses. Es stellt sich heraus, dass die Qualität der Kontaktierung maßgeblich durch die Form und Größe der Elektroden bestimmt wird. Große Elektroden führen zu einer homogeneren Temperaturverteilung. Durch Rundungen an den Kanten der Elektroden kann die Temperaturverteilung weiter verbessert werden. Die im Halbzeug vorliegende Textilstruktur hat einen deutlichen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Halbzeuge auf Gewebebasis können aufgrund der vielen Verschlaufungen zwischen den Rovings homogener erwärmt werden. Die Halbzeuglänge hat aufgrund der sich einstellenden Reihenschaltung der Halbzeugwiderstände nur einen geringen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Die Parallelschaltung der Halbzeugwiderstände durch Veränderung der Halbzeugbreite resultiert jedoch in einem ungleichmäßigen Erwärmungsverhalten. Formelemente in Form von Bohrungen oder Stufen haben einen deutlichen Effekt auf das Erwärmungsverhalten. Grundsätzlich werden durch komplexere Halbzeuge inhomogenere Temperaturprofile erreicht, was zu Schädigungen der Fasern und der Matrix führen kann. Die Temperaturverteilung während der Erwärmung kann durch numerische Verfahren vorhergesagt werden. Mithilfe der computergestützten Werkstoffsimulation lassen sich vergleichsweise einfache Geometrien mit hoher Genauigkeit bestimmen. Für komplexere Geometrien weichen die Maximaltemperatur und die mittlere Bauteiltemperatur jedoch deutlich voneinander ab. Durch eine Regressionsanalyse mittels Machine-learning können außerdem die Versuchsergebnisse ausgewertet werden. Dies erlaubt insbesondere eine stetige Verbesserung der numerischen Vorhersage, indem neue Versuchsergebnisse in die Analyse mit einbezogen werden können und somit ein Online-Überwachungssystem realisiert werden kann.