Additive Individualization of Continuous-Discontinuous Reinforced Thermoplastics

Bauteile aus thermoplastischen faserverstärkten Kunststoffen (FVK), die aus diskontinuierlichen (DiCo) und kontinuierlichen (Co) Fasern bestehen, besitzen ein großes Potential zur Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Einsparung von Materialkosten im Vergleich zu rein Co-verstärkten Bauteilen. Die hervorragende Formbarkeit von DiCoFVK wird zur Herstellung komplexer Formen wie Rippen genutzt, während CoFVK zur gezielten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eingesetzt wird. Für die Herstellung von CoDiCoFVK in größeren Stückzahlen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die auf traditionellen thermoplastischen Fertigungsprozessen basieren, z. ... mehrB. das Formpressen. Aufgrund der erforderlichen Komplexität der Presswerkzeuge sind solche Verfahren jedoch nur für mittlere bis große Stückzahlen wirtschaftlich. Die zunehmende Nachfrage nach Individualisierung kann mit solchen traditionellen Verfahren nicht erfüllt werden. Werkzeuglose additive Fertigungsverfahren wie die Materialextrusion im Schmelzschichtverfahren eignen sich für die wirtschaftliche Herstellung individueller thermoplastischer Bauteile in kleinen Stückzahlen. Insgesamt sind die additiven Ansätze aus dem Stand der Technik für die Herstellung von CoDiCoFVK noch unreif und eignen sich nicht für die effiziente Fertigung großvolumiger Bauteile und großer Stückzahlen.
Ziel dieser Arbeit ist es daher, durch die Kombination von traditionellen Verfahren und dem Ansatz der additiven Fertigung die individuelle Herstellung und nachträgliche Individualisierung von CoDiCoFVK zu ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden ein geeignetes Verfahren und ein entsprechender Versuchsaufbau entwickelt. Für die Verarbeitung der DiCo-Komponente werden robotergestützte Direktextrusion und für die Verarbeitung der Co-Komponente Verfahren des robotergestützten Tapelegen adaptiert, kombiniert und mit dem Versuchsaufbau weiter optimiert. Mit zusätzlichen experimentellen Untersuchungen, thermischen Simulationen und kinematischen Analysen wird ein geeigneter Hybridisierungsprozess aus individuell kombinierbaren Prozessschritten entwickelt. Als relevantester Prozessschritt wird die Konsolidierung identifiziert, die die Bindung zwischen den Co- und DiCo-Komponenten während des Hybridisierungsprozesses erhöht. Die Konsolidierung und weitere relevante Prozessschritte werden für ein ausgewähltes Materialsystem mit Hilfe des Versuchsaufbaus experimentell für die Erhöhung der Bindung der Komponenten optimiert. Als Ausgangsmaterial werden für die DiCo-Komponente kohlenstoffkurzfaserverstärktes Granulat und für die Co-Komponente unidirektionale Tapes verwendet. Das Matrixmaterial für beide ist Polyamid 6.
Zur Validierung der individuellen Herstellung von CoDiCoFRP werden Zugproben hergestellt. Basierend auf Zugversuchen nach DIN EN ISO 527-4 wird ein hoher Erfüllungsgrad von 67 % erreicht. Dieser Wert gibt an, dass der CoDiCo-Verbund 67 % seiner theoretisch berechneten Festigkeit erreicht hat, was auf einen effektiven Hybridisierungs- und Bindungsprozess hindeutet. Für den Prozess der nachträglichen Individualisierung von traditionell hergestellten Bauteilen werden ein Demonstratorbauteil hergestellt und Untersuchungen zu Anhaftung nach ASTM D5868-01 durchgeführt. Als traditionelles Referenz-Verfahren wurde das Langfaser-Thermoplast-Direktformpressen verwendet. Der nachträgliche Individualisierungsprozess wurde so entwickelt, dass dieser auch auf andere traditionelle Fertigungsverfahren angewendet werden kann.

Components made from thermoplastic fiber-reinforced polymers (FRP), which consist of discontinuous (DiCo) and continuous (Co) fibers, offer a great opportunity to reduce weight while saving material costs compared to pure Co-reinforced components. The excellent formability of DiCoFRP is used to produce complex shapes such as ribs, while CoFRP is used to selectively improve mechanical properties. Various approaches based on conventional thermoplastic manufacturing processes, such as compression molding, can be used to produce CoDiCoFRP in larger quantities. Due to the required complexity of the tools and molds, such processes are only economical for medium to large quantities. ... mehrThe increasing demand for individualization cannot be met with such conventional processes. Toolfree additive manufacturing processes such as layer-by-layer material extrusion are suitable for the economical production of individual thermoplastic components in small quantities. Overall, the additive approaches from the state of the art for the production of CoDiCoFRP are still immature and are not suitable for the efficient production of large-volume components and large quantities.
The objective of this thesis is therefore to enable the individual production and subsequent individualization of CoDiCoFRP by combining conventional processes and the approach of additive manufacturing. In order to achieve this objective, a suitable process and corresponding experimental setup is developed. In the experimental setup, robotic direct extrusion is employed for processing the DiCo component, while approaches from robotic automated tape laying are adapted, combined, and further optimized for processing the Co component. With additional experimental investigations, thermal simulations, and kinematic analysis, a suitable hybridization process consisting of individually combinable process steps is developed. As the most relevant process step consolidation is identified, which increases the bonding between the Co and DiCo components during the hybridization process. Consolidation and further relevant process steps are experimentally optimized to increase the bonding for a selected material system by using the experimental setup. As input material for the DiCo component carbon short fiber reinforced granulate and for the Co component unidirectional tapes are used. The matrix material for both is polyamide 6.
For the validation of the individual production of CoDiCoFRP tensile specimens are produced. Based on tensile test according to DIN EN ISO 527-4, a high degree of fulfillment of 67 % is achieved. This value indicates that the CoDiCo composite has reached 67 % of its theoretically calculated strength, which indicates an effective hy-bridization and bonding process. For the process of subsequent individualization of conventionally manufactured components, a demonstrator component is produced and in-terface bonding tests based on ASTM D5868-01 are carried out. Long fiber thermoplastic direct molding was used as the conventional reference manufacturing process. The subsequent individualization process is developed in such a way that it can also be applied to other conventional production processes.