Entwicklung einer RTM Prozessvariante zur kavitätsdruckgeregelten Herstellung von Faserverbundstrukturbauteilen

Das Hochdruck Resin Transfer Molding (HD-RTM) Verfahren und dessen Prozesskette zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen (FVK) wurde in den letzten Jahren industrialisiert und ist inzwischen in der Serienproduktion im Einsatz. Dabei werden meist monolithische, schalen-förmige Bauteilstrukturen mit hohem Kavitätsdruck von teilweise mehr als 100 bar hergestellt. Der Ausgangspunkt zur Erstellung dieser Arbeit ist die Fragestellung, welcher Kavitätsdruck beim RTM Verfahren zur schnellen Herstellung von FVK tatsächlich notwendig ist und ob mit einer erweiterten Prozessregelung eine Begrenzung bzw. ... mehrRegelung des Kavitätsdrucks realisierbar ist. Die Anforderungen bezüglich Bauteilkomplexität und Funktionsintegration steigen kontinuierlich. Kosteneffiziente und leichte Schaumkerne, komplexe Subpreforms, die überlappend gefügt werden, lokale Verstärkungen sowie metallische Anbindungspunkte sollen in große und geometrisch komplexe Bauteile integriert und in kurzer Zykluszeit gefertigt werden. Gleichzeitig sollen die Material- und Herstellungskosten durch günstige und gut imprägnierbare Faserhalbzeuge, schnellere Harzsysteme und kompakte, kosteneffiziente Anlagentechnik weiter gesenkt werden.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer RTM-Verfahrensvariante zur aktiven Regelung und Reduzierung des Kavitätsdrucks, die das Potential zur Erfüllung der Anforderungen hat. Die ausgewählten Faser- und Matrixwerkstoffe werden zunächst hinsichtlich der Permeabilität, des Kompaktierungsverhaltens und der Matrixviskosität charakterisiert. Mit den verfügbaren Stand der Technik HD-RTM Varianten, dem high-pressure injection RTM und dem high-pressure compression RTM (HP-IRTM und HP-CRTM), werden Untersuchungen durchgeführt. Kavitäts-druckrelevante Prozessparameter, mit welchen eine aktive Regelung des Kavitätsdrucks möglich ist werden identifiziert und daraus die neue Verfahrensvariante, das pressure-controlled RTM (PC-RTM) Verfahren entwickelt. Dieses variiert den Werkzeugspalt bei der Harzinjektion und nutzt dabei die exponentielle Erhöhung der Preformpermeabilität und -porosität und den Kavitätsdruck aktiv zu regeln. Nach der Injektion wird die Presskraft abhängig vom gemessenen Druck aktiv variiert um den vorgegebenen Kavitätsregeldruck einzuhalten und die korrekte Bau-teildicke zu erreichen.
Die Validierung der PC-RTM Variante erfolgt in zwei Schritten. Auf Plattenebene wird der Prozess charakterisiert und unterschiedliche Kavitätsdruckprofile untersucht. Im zweiten Vali-dierungsschritt wird das PC-RTM Verfahren an einem komplexen Bauteil erprobt und validiert. In dieses werden druckempfindliche Schaumkerne, lokale Verstärkungen und überlappend ge-fügte, komplexe Subpreforms integriert. Mit einem auf den PC-RTM Prozess ausgelegten RTM Werkzeug werden unterschiedliche Kavitätsdruckprofile validiert. Eine schnelle Injektion (13,5 s) mit einem auf 15 bar begrenzten Kavitätsdruck ist nun realisierbar, ohne die integrierten Schaumkerne zu schädigen. Durch den reduzierten Kavitätsdruck sinkt die Presskraft um bis zu 85%. Somit kann die Anlagen- und Werkzeugtechnik durch reduzierte Kavitätsdrücke und Presskräfte kleiner skaliert werden, wodurch Kosteneinsparungen möglich sind. Daher ist das PC-RTM Verfahren für eine schlanke und effiziente Produktion von Hochleistungs-FVK relevant.

The high-pressure resin transfer molding (HP-RTM) process and its process chain for the production of fiber-reinforced plastics (FRPs) have been industrialized in recent years, and are now used for serial production. In most cases, components with a monolithic shell are infiltrated at high cavity pressures of more than 100 bar. The question of which cavity pressure is necessary for the quick manufacturing of FRPs, and whether pressure-sensitive foam cores can be integrated into complex shaped components with an extended process control, constitutes the starting point of this thesis. ... mehrThe requirements for component complexity and function integration are continuously increasing. Cost-efficient and light foam cores, complex shaped subpreforms joined with different overlaps, local reinforcements and metal inserts need to be integrated into large and complex shaped components. The manufacturing of such parts should be achieved in a short timeframe and with high efficiency. Material and production costs should be decreased further, utilizing cost-efficient reinforcing materials with good infiltration behavior, quick-curing resin systems and compact, cost-efficient production equipment.
The objective of this thesis is to develop an RTM variant to fulfill the requirements and to actively control and reduce the cavity pressure. The selected reinforcements and matrix systems are initially characterized to evaluate the permeability, compaction behavior and viscosity properties. Experimental investigations are conducted with state-of-the-art HP-RTM variants, namely high-pressure injection RTM (HP-IRTM) and high-pressure compression RTM (HP-CRTM). Appropriate process parameters, which can be used for active control of the cavity pressure during and after injection, are identified and the new pressure-controlled RTM process variant is developed. The PC-RTM uses the exponential increase of the preform permeability combined with a variable mold gap during the injection step, which allows active cavity pressure control. After injection, the press force depends on the measured cavity pressure and is therefore variable. This allows a precise control of the pressure during the process until the desired part thickness is achieved.
The PC-RTM process variant is validated in two steps. In the first step, the process is characterized on platen level and different cavity pressure profiles are investigated. In the second step a complex shaped component is manufactured with PC-RTM to validate the process on part level. Pressure-sensitive foam cores, local reinforcements and different subpreforms, which are assembled before the infiltration, are integrated into the demonstrator component. An RTM mold, which is designed for PC-RTM, is used for the process validation trials. The results demonstrate that a quick injection step (13.5 s) can be combined with a low cavity pressure of 15 bar to manufacture the component in a short timeframe and without damaging the foam cores. The necessary press force can be reduced by up to 85% with a low cavity pressure profile. A downscaling of the production equipment and the mold is possible with the PC-RTM process. This leads to a cost decrease and attracts interest in implementing the new process in a lean and efficient environment for the production of high-performance FRPs.