Entwicklung eines simulationsgestützten Verfahrens zur schnellen Imprägnierung großer und komplexer Strukturen auf Basis neuartiger textiler Halbzeuge mit integrierten temporären Strömungskanälen

Verantwortlich: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann
Zeitraum: 01.01.2016-28.02.2019
 
Dieses Projekt hat den AVK-Preis 2019 gewonnen.
 
Ziel des interdisziplinären, branchenübergreifenden Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur simulationsgestützten, textiltechnischen Integration temporärer, sich nach der Infiltration schließender Strömungskanäle in Verstärkungshalbzeuge. Im zu entwickelnden Verfahren sollten die Infiltrationszeiten zur Herstellung komplex geformter, großflächiger FKV-Strukturen mit homogener Faserverteilung im Infusionsverfahren in reproduzierbar hoher Qualität drastisch reduziert werden. Im Fokus stand hierbei die Variation der Permeabilität der Halbzeugstruktur durch die Integration von Kanälen für die Optimierung des Infiltrationsprozesses. Dafür wurden am ITM neuartige Funktionsfadenstrukturen und Textilkonstruktionen mit temporären Strömungskanälen entwickelt. Für grundlegende Permeabilitätsuntersuchungen erfolgten die Entwicklung und Umsetzung textiler Funktionsmuster mit fertigungstechnisch integrierten Strömungskanälen in Schuss- und in Kettrichtung. Darüber hinaus wurde eine Anordnung der Strömungskanäle mit davon abweichender, frei wählbarer Ausrichtung für 3-dimensionale komplexe Bauteile entwickelt. Für eine dennoch homogene Faser-Matrixverteilung im Bauteil und somit gleichbleibend hohen mechanischen Eigenschaften konnten die Strömungskanäle nach dem Infiltrationsprozess aber vor Abschluss der Harzvernetzungsreaktion wieder geschlossen werden, indem die Funktionsfäden im Harzsystem temperaturinduziert aufgelöst und die komprimierten Rovings freigegeben wurden. Für die erfolgreiche Steuerung dieses Prozesses wurden die Wechselwirkungen und Zusammenhänge zwischen der Dimensionierung (Höhe, Breite) und Anordnung der Strömungskanäle, dem temperaturabhängigen Auflöseverhalten der Funktionsfäden und der Prozessparameter bei der Harzinfiltration, im Hinblick auf die Modellaufbereitung für eine Fließsimulation systematisch untersucht. Mit Hilfe geeigneter Messmethoden wurde die Ausbreitung der Fließfronten in den Strömungskanälen und Verstärkungsfasern (Dual-Scale-Eigenschaften) der Funktionsmuster charakterisiert. Diese Ergebnisse sind Voraussetzung für die gezielte Anpassung der Simulationswerkzeuge für eine zielgerichtete Auslegung der textilen Halbzeuge. Der Nachweis einer erfolgreichen simulationsgestützten Auslegung derartiger Strukturen erfolgte anhand der Umsetzung von zwei Demonstratoren (Klöpperboden, Motorhaube). Die Ergebnisse zeigen, dass je nach Bauteilgröße und Komplexität unter Verzicht von Fließhilfen eine Reduktion der Infiltrationszeiten von bis zu 50% erreicht werden kann. Somit ist eine wesentliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Bauteilherstellung ohne Beeinträchtigung der Imprägnierqualität realisierbar. Mit Unterstützung des branchenübergreifend zusammengesetzten projektbegleitenden Ausschusses wurden von den FE die ermittelten Ergebnisse für eine breite industrielle Anwendung von Harzinfusionsverfahren als Leitfaden für die KMU zusammengefasst, der diesen nach Projektende zur Verfügung steht.
 
Den Abschlussbericht zum Projekt können Sie hier herunterladen.