Locally Continuous-fiber Reinforced Sheet Molding Compound

Durch lokales Endlosfaserverstärken von Sheet Molding Compound
(SMC) kann auf wirtschaftliche Weise Bauteilsteifigkeit mit Designfreiheit
kombiniert werden. Um das gesamte Potenzial dieses Fertigungsverfahrens
auszuschöpfen und um Bauteile gleichbleibender Qualität
herzustellen, müssen allerdings das Materialsystem und die Fertigungsschritte
angepasst oder teilweise neu konzipiert werden. Bisherige
Arbeiten konnten positionstreue Lage und Orientierung der Endlosfaserverstärkung
nicht mit den Vorteilen der Fließfähigkeit des
SMCs verbinden. Daher muss nach Stand der Technik, sobald lokale
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Endlosfaserverstärkungen zum Einsatz kommen, das SMC formgepresst
werden, um Fließbewegungen innerhalb des Werkzeuges zu
reduzieren.
Durch den Einsatz eines Harzes mit zweistufiger Vernetzungsreaktion
kann die Matrix der Endlosfaserverstärkung in ihrer Viskosität gegenüber
Standard-UP-Harzen um eine Größenordnung erhöht werden.
Auch der Viskositätsabfall im heißen Presswerkzeug ist geringer. Die
abgeschlossene erste Reaktionsstufe führt zu einem steifen Einleger,
der während des Pressvorgangs die Kräfte des fließenden SMCs erträgt
und nicht deformiert wird. Zudem kann durch die zweite, noch nicht
erfolgte Reaktionsstufe, eine chemische Vernetzung mit dem SMC erfolgen.
Um eine Verschiebung der lokalen Endlosfaserverstärkung
auszuschließen, wird eine innovative Fixierung mittels magnetischen
Feldern entwickelt. Hierzu muss die Materialformulierung weiter angepasst
werden.
Zur Umsetzung des hier beschriebenen Fertigungskonzeptes bedarf es
der Materialcharakterisierung und Modellierung, zudem der Simulation
des Fließprozesses und der magnetischen Felder. Experimente dienen
der Validierung des Konzeptes. Schließlich konnten Bauteile hoher
und gleichbleibender Qualität hergestellt werden und somit ein wichtiger
Schritt in Richtung Industrialisierung gegangen werden.

The process of co-molding of locally continuous-fiber reinforced structures
with Sheet Molding Compound (SMC) has the potential to realize
structures economically combining high stiffness with freedom in design.
In order to exploit the full potential and to achieve reliable components,
materials as well as process steps have to be tailored or completely
rethought. Previous work has failed to combine the flowability
of the SMC, needed to form ribs and to integrate inlays, with accurate
position and intact shape of the continuous-fiber reinforcement.
State-of-the-art in co-molding is still a near net-shape mold coverage of
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the SMC to prevent any flow.
The introduction of a two-step curing resin enables to raise the viscosity
level after impregnation of the matrix of the continuous-fiber reinforcement
by one order of magnitude. Additionally, the viscosity drop
when placed in the hot mold is reduced, because of the cross-linking of
the polymer at the first reaction step. Both results in a stiff reinforcement
during co-molding, which endures the forces applied by the flowing
SMC and therefore is not deformed. Furthermore, the second, still
latent, reaction step allows for chemical bonding to the SMC. To prevent
displacement of the reinforcement, a novel fixation method is
introduced by using magnetic fields to keep the material in position. As
conventional fiber reinforced plastics behave neutral in magnetic
fields, the material formulation has to be modified. For this purpose
ferrimagnetic particles are dispersed in the reinforcement’s matrix.
To realize this innovative co-molding concept a multidisciplinary approach
is needed, including material characterization and material
modelling, process simulation and magnetic field simulation and likewise
experiments. Hereby, the performance as well as the reliability of
these hybrid structures are significantly improved and a major step
toward industrialization of co-molding is achieved.