Grundlagen der Pultrusion zur Fertigung von FV-Bauteilen für die Anforderungen der automobilen Großserie = Fundamentals of the Pultrusion Process for Production of FRP Components for the Requirements of Automotive Large-scale Production

Im Zuge der Weiterentwicklung von Werkstoffen und Fertigungstechnologien für den Automobilbau steigt der Bedarf nach kosteneffizienten und produktiven Verfahren zur Herstellung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffbauteile. Das Pultrusionsverfahren bietet die geforderte Großserienfähigkeit bei gleichzeitig geringen Fertigungskosten durch einen kontinuierlichen Prozessverlauf. Um alle Potentiale dieses Verfahrens nutzen zu können, ist ein umfassendes Prozessverständnis erforderlich.
Zur Qualifizierung des Pultrusionsverfahrens für den Einsatz in der automobilen Großserie werden in dieser Arbeit die notwendigen Kenntnisse über Wechselwirkungen im Prozess und das Wissen um die Auswirkung einzelner Parameter auf grundlegende Bauteileigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit sowie Ausprägung weiterer Merkmale, wie z.B. ... mehrReinharzbereiche und Falten, erarbeitet.
Ausgehend von einer gesamthaften Systemanalyse, unter Verwendung der Ishikawa-Methode und mehrstufigen Plausibilisierungen, wird eine repräsentative Parametersammlung erarbeitet. Mittels einer Intensitäts-Beziehungsmatrix werden diese Parameter quantitativ bewertet und theoretische Wechselwirkungen erarbeitet. Die im Zuge der Systemanalyse ermittelten und gewichteten Parameter bilden die Grundlage zur experimentellen Überprüfung der Wirkzusammenhänge mit Hilfe der Methode der statistischen Versuchsplanung. Umfassende Vorversuche definieren die Parameterstufen des Versuchsplans mit den Parametern Formfüllgrad, Abzugsgeschwindigkeit, Kammertemperierung und Temperaturprofil. Die Injektionstechnologie für Kohlenstofffasern in einer Epoxid-Matrix mit Gelegeverstärkung bildet das Zielsystem.
Um die Bauteilqualität überhaupt messbar zu machen, wird eine mehrstufige Prüfmethodik entwickelt und angewandt. Neben Zielgrößen wie mechanische Eigenschaften, Geometrie und Imprägnierqualität wird die Merkmalsausprägung detailliert untersucht und in Form eines Merkmalskataloges messbar gemacht. Mit Hilfe des Merkmalskataloges ist es nun möglich, die Bauteilqualität bezüglich lokaler Inhomogenitäten zu beschreiben und Abweichungen vom Sollzustand einheitlich zu charakterisieren. Die umfangreiche Parameterstudie bestätigt die theoretischen Ergebnisse der Systemanalyse. Ausgewertet werden die Prozessdaten, die Bemusterung der produzierten Profile nach dem erarbeiteten Merkmalskatalog, die physikalisch-chemischen und thermischen Untersuchungsmethoden, die mikrostrukturellen Untersuchungsmethoden und die mechanischen Prüfungen.

In the course of the further development of materials and manufacturing technologies for the automotive industry, the demand for cost-efficient and productive processes for producing FRP components is increasing. The pultrusion process offers the required production capacity with simultaneous low production costs due to a continuous process. In order to leverage all the potentials of this process, it requires a comprehensive process understanding.
To qualify the pultrusion process for automotive large-scale production, the necessary knowledge of interactions within the process and the knowledge of effects of individual process parameters on basic component properties such as stiffness and strength, as well as on the criticals to quality are developed in this scientific work.
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Starting from a comprehensive system analysis, using the Ishikawa method and multistage plausibility checks, a representative collection of parameters is compiled. By means of a Intensity-Relation-Matrix these parameters are evaluated quantitatively and theoretical interactions are worked out. The parameters determined and weighted in the course of the system analysis form the basis for the experimental investigation of interactions by using the DoE method (Design of Experiments). Broad preliminary test define the parameter levels of the trial design with the parameters degree of mold filling, line speed, injection chamber temperature control and mold temperature control. Injection technology for carbon fiber with an epoxy resin system and non-crimp fabrics form the target system.
In order to gain measurable component quality at all, a multi-stage test methodology is developed and applied. In addition to the target figures such as mechanical properties, geometry and impregnation quality, the manifestation of criticals to quality is investigated in detail and made measurable in the form of a catalog of criticals to quality. With this catalog of criticals to quality, it is now possible to describe the component quality with regard to local inhomogeneities and to consistently characterize deviations from the desired condition. The extensive parameter study confirms the theoretical results of the system analysis via evaluating process data, component sampling according to the catalog of criticals to quality, physico-chemical and thermal analyses, microstructural analyses and mechanical testing.