Optimisation of the winding process by minimizing the critical failure potential during fibre roving delivery

Titel in Übersetzung: Optimierung des Wickelprozesses durch Minimierung von Fehlerpotential während der Faserzuführung

Alexander Maier

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Faserverbundwerkstoffe bieten die Möglichkeit, lastgerechte Strukturen zu konstruieren und zu produzieren und liefern herausragende mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig niedrigem Gewicht. Während in den letzten Jahren diese Materialien hauptsächlich auf die Luft- und Raumfahrt beschränkt waren, hat sich im letzten Jahrzehnt ein Wandel hin zu breiteren Anwendungen in der Automobilindustrie vollzogen. Wo in der Vergangenheit die Materialeigenschaften und das Leichtbaupotential oft wirtschaftliche Überlegungen in den Hintergrund drängten, stellen sich nun durch steigenden Stückzahlen neue Herausforderungen an die Produktivität und vor allem an die Produktionskosten von Faserverbundbauteilen. Die Verfahren, die in kontinuierlich faserverstärkten Strukturen Anwendung finden, sind zum Beispiel das Wickelverfahren. Das Wickelverfahren findet vor allem Anwendung bei der Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Kraftstofftanks zur Speicherung alternativer Antriebsmedien für Automobile. Bei diesem Verfahren werden trockene oder bereits mit Harz imprägnierte Fasern kontinuierlich über Zuführeinrichtungen zu einem Wickelkern, auf den in beliebigen Mustern aufgewickelt wird, zugeführt. Kritisch für die finale Bauteilqualität sind vor allem die Faservorspannungen, die gezielt eingestellt werden können, sowie die Positioniergenauigkeit und die dadurch entstehenden Wickelmuster. Die erreichbaren Taktzeiten sind durch die Auswahl des Matrixsystems und der damit verbundenen Aushärtezeit limitiert. Durch gezielte Prozessoptimierung kann darüber hinaus die eigentliche Taktzeit des Wickelns verkürzt werden. Hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten in Kombination mit hohen Vorspannungen führen oft zu sehr starken mechanischen Belastungen in den Verstärkungsfasern. Ungewolltes Faserversagen während der Faserzuführung resultiert daher in kostspieligen Ausschussproduktion. In der vorliegenden Arbeit wurde das Verhalten trockener Glasfasern unter verarbeitungsnahen Bedingungen untersucht um die Faserzuführung des Wickelprozesses zu optimieren und ungewolltes Faserversagen in Zukunft vermeiden zu können. Da die mechanische Charakterisierung trockener Bündel in Dimensionen, die der realen Faserverbundverarbeitung entsprechen eher ungewöhnlich ist, wurde zunächst eine Prüfanordnung entwickelt. Trockene Fasern wurden in Zugversuchen mit unterschiedlichen freien Einspannlängen und Dehngeschwindigkeiten geprüft. Um reale Komplikationen bei der Faserzuführung während des Wickelprozesses nachzustellen, wurden darüber hinaus die trockenen Fasern gezielt verdreht und so eine Belastung außerhalb der Faserrichtung herbeigeführt. Des weiteren wurden die Versuche an mit Harz getränkten Faserbündeln analysiert. Um auch die Eigenschaften der einzelnen Fasern zu charakterisieren, wurden aus den verwendeten Faserbündeln einzelne Fasern ausgelöst und separat getestet. Anhand der Versuche stellte sich heraus, dass die maximale Zugkraft über den statistischen Fehlereinfluss von der freien Faserlänge abhängt. Dieser Effekt wurde bei Einzelfasern beobachtet und in stärkerer Ausprägung auch für Faserbündel in verarbeitungsrelevanten Längen festgestellt. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass nicht nur die statistische Fehlerwahrscheinlichkeit, sondern die Interaktionen innerhalb der Fasern das mechanische Verhalten während der Zuführung maßgeblich beeinflussen. Um die Zusammenhänge zu analysieren wurden Glasfasern chemisch behandelt um die standardmäßig vorhandene Schlichte auf den Glasfasern zu entfernen. Basierend auf diesen Untersuchungen konnten abschließend Empfehlungen für Zuführungsparameter wie freie Faserlänge, Scherverhalten und Verdrillung, Faserbeschaffenheit wie der Einfluss der Schlichte oder Imprägnierung entwickelt werden, mit deren Hilfe ein besseres Verständnis für die Einflussfaktoren auf die Zugfestigkeit der Faserbündel während des Wickelprozesses erreicht werden.
Titel in ÜbersetzungOptimierung des Wickelprozesses durch Minimierung von Fehlerpotential während der Faserzuführung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schledjewski, Ralf, Beurteiler A (intern)
  • Karger-Kocsis, Jozsef, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2016

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Kontinuierliche Verbundverarbeitung
  • Optimierung des Wickelprozesses
  • Mechanische Charakterisierung von Glasfasern

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