Empirische Charakterisierung und Modellierung des Imprägnierprozesses lokal verstärkter Kohlenstofffaserhalbzeuge im RTM- und Nasspress-Verfahren für die Großserie

Aufgrund steigender gesetzlicher Anforderungen hinsichtlich CO2-Emissionen und zunehmendem Umweltbewusstsein der Kunden sind Automobilhersteller bestrebt, neue Mobilitäts- und Fahrzeugkonzepte auf dem Markt zu etablieren. Dementsprechend richten sie sich strategisch auf die Entwicklung neuer Architekturen aus, weil die gesetzten Ziele ausschließlich durch Weiterentwicklungen konventioneller Konzepte mit Verbrennungsmotoren nicht erreicht werden können. Neben Hybrid- und Elektroantrieben liegt der Entwicklungsfokus insbesondere im Leichtbausegment. In diesem Zusammenhang sollen insbesondere Strukturkomponenten der Karroserie durch Leichtbaumaßnahmen optimiert werden, weil die Karosserie eines Fahrzeugs mit einem Gewichtsanteil von circa 40% das größte Einsparpotential bietet. ... mehrSo sind mit strukturellen CFK-Komponenten bereits Fahrzeuge verschiedener Hersteller, wie auch der i3 und i8 der BMW Group auf dem Markt. Die in diesen Modellen verbauten CFK-Komponenten werden vorwiegend in großserienadäquaten Technologien, wie dem Resin Transfer Moulding und dem Nasspressen, aus flächigen textilen Halbzeugen einheitlicher Wandstärke gefertigt. Im Rahmen dieser Fahrzeugprojekte sind bereits die Bauteilherstellung aus flächigen textilen Halbzeugen auch aus konfektionierten Vorformlingen in der Großserienfertigung etabliert.
Im Gegensatz zur Herstellung von CFK-Komponenten aus flächigen textilen Halbzeugen in den beschriebenen Großserienprozessen, werden in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Anwendungen in Kleinserien Faser-Kunststoff-Verbund-Komponenten mit lastpfadgerecht applizierten, lokalen Verstärkungen gefertigt. Um für Hochleistungsverbunde die hervorragenden gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs bestmöglich nutzen zu können, werden die Komponenten mit lokalen Verstärkungen in Manufakturprozessen hergestellt. Dies ermöglicht eine Minimierung der Bauteilkosten und eine maximale Nutzung des Leichtbaupotentials.
Zur Optimierung der Resourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit der FKV-Bauteile für Großserienprozesse, vereint die vorliegende Arbeit die beiden genannten Zweige der FKV-Fertigung. Auf diese Weise soll die Herstellung lokal verstärkter Bauteile in den großserienadäquaten Technologien RTM und Nasspressen befähigt und die Großserienfertigung lokal verstärkter Bauteile möglich werden.
Zur Generierung der erforderlichen Grundlagen, werden die geeigneten Werkstoffe charakterisiert, der Injektionsprozess in Abhängigkeit der einflussreichsten Parameter analysiert und die Auswirkung der beleuchteten Parameter auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Simulation lokal verstärkter Halbzeuge im Injektionsprozess und die Vorhersage der mechanischen Eigenschaften lokal verstärkter Komponenten wird zudem mit empirischen Versuchen abgeglichen.
Basierend auf den daraus gezogenen Erkenntnissen werden Richtlinien für die Prozessgestaltung ebenso vorgestellt, wie für die optimale, belastungsspezifische Bauteilauslegung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften.

Due to different conditions car manufacturers want to develop new mobility and vehicle concepts. That’s why they are orienting to develop new architectures because the legislative targets are not reachable by conservative ones with combustion engines. So in addition to hybrid- und electrical power trains they are especially developing in the light weight section. Due to the fact, that a car body includes 40% of the car’s weight, more and more structural components should be optimised by light weight components. Thus structural CFRP components are included in different cars, such as the i3 and the i8 of the BMW Group. ... mehrThe CFRP components produced in that context are mainly manufactured in the large scale relevant processes Resin Transfer Moulding and Wet Pressing based on flat preforms for the production of parts with unique thickness. Correspondingly the processes for large scale production of CFRP components from flat and assembled preforms are already established.
On the other hand in aerospace applications and other small scale use cases CFRP components with local reinforcements and non homogeneous thicknesses are established. In order to use the excellent specific mechanical properties in high end applications in manufacturing processes, the fibres are applied load specific, what reduces the costs of the produced parts and uses the light weight potential ideally.
In order to achive a maximum in resource efficiency and economy of CFRP components in large scale level, in this thesis I bring these two very important streams together. This way, the production of locally reinforced parts will be enabled for the large scale relevant production processes RTM and Wet Pressing.
To generate the required basics for the production of locally reinforced CFRP components in large scale level primarily different relevant textiles become characterized and important process steps of injection analysed, depending on the most influencial and relevant parameters. Afterwards the influence of these parameters on the mechanical properties of the final part will be characterized. Further the virtual analysis of the local reinforced textiles within the injection process will be occupied and compared to the results generated within the empirical analysis, to show possibilities to make the development process more efficient.
Based on the generated knowledge, instructions for the efficient production of local reinforced components will be provided concerning injection processes as well as influencing parameters on mechanical properties.