Entwicklung eines optimierten Halbzeugherstellungsprozesses für kohlenstofffaserverstärktes Sheet Moulding Compound = Development of an optimized process for the manufacturing of carbon fibre reinforced sheet moulding compound

Glasfaserverstärkter Sheet Moulding Compound (GF-SMC) stellt eine Werkstoffgruppe dar, die schon seit langer Zeit Anwendungen in der Automobilindustrie im Bereich der Metallsubstitution, vor allem bei lackierten Bauteilen der Außenhaut findet. Jüngste Aktivitäten innerhalb der Weiterentwicklung dieses Verfahrens sehen die Substitution der bisher verwendeten Verstärkungsfasern durch hoch leistungsfähige Kohlenstofffasern vor. Dieser Schritt führt zu einer Steigerung der mechanischen Eigenschaften der auf diese Weise verstärkten Werkstoffe (CF-SMC) gegenüber der GF-SMC-Varianten. ... mehrIm Vergleich zu den etablierten Werkstoffen der Faserverbundtechnologien liegen die mechanischen Kennwerte der CF-SMC-Varianten jedoch auf einem geringen Niveau. Daher stellen diese Werkstoffe zum heutigen Zeitpunkt bei der Realisierung von geometrisch hochkomplexen Knotenelementen zur Verbindung von stabförmigen Profilen einer selbsttragenden Karosseriestruktur keine Alternative gegenüber den Aluminium-Druckguss-Werkstoffen dar.
Die Hypothese der vorliegenden Arbeit besteht darin, dass die hohen mechanischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern durch eine nicht optimale Einbettung der Fasern in die Matrix nur unvollständig genutzt werden. Vor allem durch Defekte wie Poren und Fehlstellen im CF-SMC-Halbzeug kommt es zu einem frühzeitigen Versagen der Werkstoffe, was vergleichsweise geringe mechanische Kennwerte zur Folge hat.
Um einen Überblick über die aktuell auf dem Markt verfügbaren CF-SMC-Werkstoffe zu erhalten, wird im ersten Schritt ein Werkstoff-Benchmark durchgeführt, indem verschiedene Werkstoffsysteme zu geeigneten Prüfkörpern verarbeitet und deren mechanische Kennwerte miteinander verglichen werden. Bereits hier fallen große Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe in Abhängigkeit der Filamentzahl der verwendeten Fasern (12K oder 50K) auf. Zur Schaffung eines tieferen Verständnisses der Wirkzusammenhänge und einer mathematischen Beschreibung des Werkstoffsystems werden mit den Methoden der statistischen Versuchsplanung (DOE) Untersuchungen durchgeführt, in denen die faserbezogenen Parameter bei der Halbzeugherstellung variiert werden. Das Ergebnis dieser umfangreichen Prüfungen zeigt, dass die gewählten Parameter einen der größten Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit von CF-Werkstoffen darstellen und dass durch geeignete Optimierung der Faserparameter die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Werkstoffe über das Niveau der metallischen Konkurrenten angehoben werden können.
Zur Analyse der Auswirkungen der Parametervariationen auf das prinzipielle Werkstoffverhalten werden innovative Methoden zur Charakterisierung und zum Vergleich der einzelnen Varianten entwickelt. Mit Hilfe der Kontrastmittelmethode ist es beispielsweise unter Verwendung der Röntgenbildgebung möglich, die Art der Werkstoffbewegung anhand der Veränderungen eines gleichmäßigen Rasters im Pressprozess zu visualisieren. Die Bildpunkte des Rasters können detektiert und als Netz finiter Elemente dargestellt werden. Durch den Einsatz geeigneter mathematischer Methoden gelingt es, die Dehnungen der Netzelemente durch das Verpressen zu berechnen. Ein umfangreiches Untersuchungsprogramm dient im Weiteren unter Anwendung der entwickelten Charakterisierungsmethoden dem Nachweis der Veränderungen der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Werkstoffbewegung auf Plattenebene. Dabei können die berechneten Dehnungen des Werkstoffs in der Platte mit ermittelten Zugsteifigkeiten von Referenzproben korreliert werden. Dieser Hinweis auf die Hauptfaserorientierung in Abhängigkeit der E-Moduln steht zusätzlich in starker Wechselwirkung mit den Werten der thermischen Längenausdehnungskoeffizienten (LAK) der Werkstoffe. Die mit den vorgestellten Untersuchungen nachgewiesenen Zusammenhänge bilden die Grundlage einer innovativen Methode zur Bestimmung der Hauptfaserorientierung in CF-SMC-Laminaten.
Mit Hilfe weitergehender Analysen kann gezeigt werden, dass die mechanische Leistungsfähigkeit eines CF-SMC-Werkstoffs maßgeblich von der Filamentzahl je Faserbündel und damit von der Breite der Faserabschnitte beeinflusst wird. Um die Wirtschaftlichkeit der Technologie zu steigern, ist es jedoch unumgänglich sogenannte Heavy Tow-Fasern mit hoher Filamentzahl (nF> 24K) zu verwenden. Daher wird eine Vorrichtung entwickelt, die eine Spreizung und Längsteilung des Faserstrangs direkt in der Faserzuführung der SMC-Linie realisiert. Dank der Integration des Systems in den Prozess ist kein zusätzlicher Schritt zur Aufbereitung der Fasern erforderlich, und es werden keine zusätzlichen Prozesskosten verursacht. Die mit dieser Vorrichtung hergestellten Werkstoffe zeigen deutlich gesteigerte mechanische Eigenschaften und bieten zusätzlich Vorteile in Bezug auf deren Rheologie respektive ihres inneren Widerstandes gegen das Verdrängen im Pressprozess. Außerdem wirkt sich die Verfeinerung der Faserbündel positiv auf die Richtungsverteilung der Fasern im Halbzeug aus, wodurch eine gute Isotropie der Werkstoffeigenschaften erreichbar ist.
Den Ausblick der Arbeit bildet die Definition eines für CF-SMC optimierten Halbzeugherstellungsprozesses. Die Verwendung von Fasern hoher Filamentzahl stellt besondere Anforderungen an den faserbezogenen Teilprozess zwischen Faserspule und Schneidwerk. Daher ist es erforderlich, einige traditionell eingesetzte Prozesselemente zu entfernen, die nicht zu einer hohen Werkstoffqualität beitragen. Hingegen werden innovative Systeme in den Prozess integriert, die zum Teil bereits Anwendung in der Textilindustrie bei der CF-Tapeherstellung finden.
Zusammenfassend können die zu Beginn der Arbeit gesetzten Ziele erreicht und die Forschungshypothese bestätigt werden. Mit Hilfe des vorgestellten Methodensets können die spezifischen Eigenschaften von CF-SMC-Werkstoffen charakterisiert und miteinander verglichen werden. Außerdem können durch die Variation der Faserparameter maßgeschneiderte Halbzeuge für den jeweiligen Anwendungsfall entwickelt werden. Die Ziele betreffend der mechanischen Eigenschaften des 50K-SMC-Werkstoffs zur Darstellung von Knotenelementen für die Verbindung von CFK-Profilen können durch optimierte Prozessschritte erreicht werden. Nachfolgende Untersuchungen im Bereich der Halbzeugherstellung sollten sich daher mit der SMC-Paste und deren Konfiguration befassen. Am Anfang stehen hierbei die Grundkomponenten und die Art in der diese vor dem Dispergieren physisch vorliegen. Generell sollte hierbei darauf geachtet werden, dass möglichst wenig Luft beim Mischprozess in die Paste eindringt, um die Bildung von Mikroporen im Laminat zu verhindern. Ein Ansatz hierbei wäre ein vakuumunterstützter Rührprozess oder weitere innovative Lösungen zur Minimierung der mikroskopischen Fehlstellen bereits im Halbzeug. Der nächste Schritt stellt die Definition einer optimalen Pastenviskosität im Imprägnierprozess in Zusammenhang mit dem Flächengewicht der geschnittenen Fasern dar.
Weiterführende Entwicklungen zur Unterstützung der Bauteilproduktion müssen die Erstellung und Validierung einer geeigneten Prozesssimulation als Ziel definieren. Hierbei kann die vorgestellte Visualisierungsmethode anhand des Kontrastmittelrasters beitragen. Des Weiteren müssen sogenannte Werkstoffkarten zur strukturellen Auslegung und Struktursimulation der Zielbauteile erstellt werden, die anschließend durch mechanische Prüfungen auf Bauteilebene verifiziert werden müssen.

Glass fibre reinforced sheet moulding compound (GF-SMC) represents a group of materials which are well established within the automotive industry when it comes to the substitution of metallic materials with the focus on paintable parts of the outer body of a vehicle. Recent development within the technology provide a substitution of the traditionally used glass fibre by highly performant carbon fibres. This step leads to an increase in mechanical properties of hereby reinforced materials (CF-SMC). However, in comparison to the mainstream carbon fibre technologies the performance of the CF-SMC materials are located on relatively low level. ... mehrTherefore these materials cannot be used alternatively to aluminium die casting alloys to realize highly complex knot elements as connecting modules for bar shaped profiles in self-supporting body structures.
The hypothesis of this work consists of the assumption that the high mechanical performance of the reinforcing carbon fibres is not fully deployed in the compound due to imperfections in the embedding of the fibres into the matrix. Mainly defects like pores and dry spots in the CF-SMC compound lead to an early failure of the materials which results in comparatively low mechanical properties.
A material benchmark is carried out to gain an overview of the performance of currently available CF-SMC materials. Several materials are moulded into suitable test specimen to examine and compare their mechanical behaviour. This step already shows huge differences in material performance depending on the filament count (12K or 50K) of the used carbon fibres. Further investigation is performed by the aid of statistical test planning (DOE) to create a deeper understanding of the interactions in the compound. To describe the material system mathematically the fibre related parameters of the pre-product are varied in the compounding process. The result of those test plans state that the chosen parameters have a huge influence on the mechanical performance and that it is generally possible to increase the mechanical properties of carbon fibre reinforced SMC to a level superior to the metallic competitors.
Innovative methods are developed to characterise and compare the fundamental behaviour of the material and to analyse its reaction to the variation of mentioned parameters. When using the presented method with the aid of a contrast agent in combination with x-ray imaging it is possible to visualise the movement of the material in the moulding process based on the alteration of a uniform grid. This grid can be detected and computed into a net of finite elements (FEM). When suitable mathematical methods are deployed the movement of the grid can be calculated as strain of the net elements. A substantial test programme is conducted to analyse the impact of planar movement of the material on its mechanical properties. The calculated strain in the material can thereby be correlated with the Young’s modulus of reference specimen. This evidence of the main fibre orientation related to the young’s modulus interacts strongly with the values of the thermal coefficient of elongation of the material. These experimentally verified coherencies represent the basis for an innovative method to detect the main fibre orientation in CF-SMC laminates. Detailed analysis show that the mechanical properties of CF-SMC materials are significantly influenced by the filament count of the used carbon fibre tows and respectively by the width of the fibre segment. However, the use of so called heavy tows with high filament count (nF> 24K) is inevitable to increase the cost-efficiency of the technology. Thus a system is developed which realizes a spreading and several lengthwise separations of the tow directly in the fibre feeding of the compounding line. As a result to the immediate integration of this system into the process no additional process steps for fibre preparation are needed and therefore no supplementary costs are occasioned. The materials which are produced applying this system show greatly improved mechanical performance and offer advantages regarding the rheology respectively their inner resistance to displacement in the pressing process. The refinement of the fibre bundles results furthermore in a positive effect on the distribution of fibre orientation which leads to a good isotropy of the properties of the material.
The outlook of this thesis is represented by the definition of an optimized process for the manufacturing of CF-SMC materials using 50K carbon fibres. The use of fibres with high filament count present special challenges to the fibre related sub process between the fibre bobbin and the cutting unit. Therefore it is necessary to replace several traditionally applied process elements which do not contribute to a high material quality. Whereas innovative systems are integrated into the production line which are in some cases used in the production of carbon fibre tapes in the textile industry.
In summary it can be stated that the aims of the present work can be achieved and the research hypotheses can be proven. The presented set of methods enables the characterisation and comparison of the specific properties of CF-SMC materials. By the variation of the parameters of the compound it is possible to manufacture tailored materials for the specific case of application. The goals in regard of mechanical properties for structural knot elements as connecting modules for CFRP-profiles can be achieved by an optimization of the compounding process.
Subsequent work in the field of manufacturing CF-SMC materials should concentrate on the SMC-paste and its configuration. The raw materials and their physical form in which they exist before the dispersing process should be contemplated. Attention should generally be paid to minimize the amount of air which enters the paste in the stirring process to prevent the formation of micro pores in the laminate. A possible approach could be a vacuum assisted stirring process or further innovative solutions to minimize microscopic imperfections in the pre-product. Following this the definition of an optimized paste viscosity in the compounding process related to the area weight of the cut fibres has to be considered.
Further developments regarding the support of the production of structural parts should set their aim on the creation and validation of a suitable process simulation. The presented method for visualization using the contrast agent can contribute to reach this goal. So called material cards have to be created and validated by mechanical tests to be able to design and simulate the structure of possible parts.