Prozessspezifische Einflussgrößen auf die Morphologie kontinuierlich faserverstärkter thermoplastischer Halbzeuge und deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften

In der Luft- und Raumfahrttechnik werden faserverstärkte Kunststoffe bereits seit den siebziger Jahren in strukturellen und nicht-strukturellen Anwendungen eingesetzt. Der Haupttreiber für deren Einsatz ist das hohe Potenzial zur Reduktion des Systemgewichts und die damit unmittelbar verbundene Senkung der Betriebskosten. In diesem Zusammenhang etablieren sich seit einigen Jahren zunehmend thermoplastische Faserverbunde, da deren Einsatz eine vielversprechende Möglichkeit darstellt, die Kosten pro ein-gespartem Kilogramm Gewicht zu reduzieren. Dies setzt wiederum voraus, dass zeit- und damit kostenoptimierte Prozesstechnologien zur Bauteilherstellung eingesetzt werden.
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Eine Prozesskette, die diese Anforderungen erfüllt, basiert auf der Verarbeitung von unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Tapes in den Schritten Tapelegen, Konsolidieren und Bauteilherstellung durch Stempel-Umformung. Die große Herausforderung beim Transfer solcher Technologien in den Anwendungsbereich Luft- und Raumfahrt besteht in den hohen Qualitätsanforderungen an die fertigen Bauteile, den Herstellungsprozess sowie die Materialien und Halbzeuge selbst.

Da die thermoplastische Matrix in den einzelnen Schritten der Prozesskette aufgeschmolzen und wieder abgekühlt wird, stellen sich die resultierenden Eigenschaften erst im finalen Schritt der Prozesskette ein. In diesem Kontext werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit zwei qualitätsrelevante Morphologiemerkmale, die Porosität und der Kristallisationsgrad, entlang einer solchen Prozesskette untersucht. Dabei ist es das zentrale Ziel, pro-zessübergreifende Parameter zu identifizieren, welche die Merkmale beeinflussen und deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften zu bewerten.

In einem ganzheitlichen Ansatz wird dazu zunächst das Ausgangsmaterial charakterisiert und die bestimmten Ergebnisse als Referenz für die weiteren Untersuchungen festgelegt. Für jedes Merkmal wird anschließend separat in den einzelnen Prozessschritten ermittelt, welche prozessspezifischen Parameter relevant sind und wie sich diese im jeweiligen Schritt auf das entsprechende Merkmal auswirken. Für das Merkmal Kristallisationsgrad werden die praktischen Versuche durch ein Simulationsmodell ergänzt, das den Temperaturverlauf und die resultierende Kristallinität für den Teilschritt Konsolidieren abbildet. Der Zusammenhang der Morphologiemerkmale mit den mechanischen Eigenschaften wird abschließend auf Basis einer Charakterisierung ausgewählter mechanischer Kenn-werte bewertet.

Fiber reinforced plastics have been used in structural and non-structural applications in aerospace technology since the 1970s. The main driver for their use is their high potential for reducing the system’s overall weight and thereby decreasing the direct operating costs. In this context, thermoplastic fiber-reinforced composites have become increasingly established over the past few years, as their use represents a promising way of reducing the costs per kilogram of weight saved. This in turn requires that time- and thus cost-optimized process technologies are used for component production.
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A process chain based on the processing of unidirectional fiber-reinforced thermoplastic tapes in the steps of tape laying, consolidation and stamp forming meets these requirements. The main challenge when transferring such technologies to aerospace applications are the high quality requirements for the finished components, the manufacturing process, and the materials and semi-finished products themselves.

Since the thermoplastic matrix is melted and cooled again in the individual steps of this process chain, the resulting properties only appear in the final step of the whole manufacturing process. In this context, two quality-relevant morphological characteristics, porosity and the degree of crystallization, are analyzed along such a process chain in the present work. The central goal is to identify cross-process parameters that influence the characteristics and to evaluate their effects on the mechanical properties.

In a holistic approach, the material used is first characterized and the results determined are defined as a reference for further analysis. For each morphological characteristic in the individual process steps, it is then determined separately which process-specific parameters are relevant and how they affect the corresponding feature in the respective step. For the feature degree of crystallization, the practical tests are supplemented by a simulation model, which depicts the temperature profile and the resulting crystallinity for the sub-step consolidation. The relationship between the morphological features and the mechanical properties is finally evaluated on the basis of a characterization of selected mechanical properties.