Einfluss von Fertigungsparametern auf die Produkteigenschaften von Leichtbauteilen aus thermoplastischen endlosfaserverstärkten Tapes

Endlosfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe (TP-FVK) vereinen hohe dichtebezogene mechanische Eigenschaften, können in kurzen Zykluszeiten vollautomatisiert verarbeitet werden und lassen sich nach ihrem Produktlebenszyklus werkstofflich rezyklieren. Bei lastpfadgerechter Positionierung in Bauteilen wird es möglich, die Materialeigenschaften von mit thermoplastischem Kunststoff vorimprägnierten unidirektionalen (UD) endlosfaserverstärkten Bändchen, sogenannten UD-Tapes, voll auszunutzen. UD-Tapes können mit kontinuierlich arbeitenden Verfahren mittels Schmelzeimprägnierung hergestellt werden. Die komplexen Vorgänge bei der Schmelzeimprägnierung werden bislang überwiegend anhand der Schmelzeimprägnierung eines einzelnen Rovings erarbeitet. Es besteht daher ein Bedarf an praxisnahen Untersuchungen, mit denen diese Zusammenhänge zwischen der UD-Tapeherstellung und den resultierenden UD-Tapeeigenschaften aufgeklärt werden. Zudem sind die Wirkzusammenhänge zwischen UD-Tape- und Laminateigenschaften entlang der Prozessketten bisher weitestgehend noch nicht beschrieben worden.
Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Arbeit ein grundlegendes anlagen- und verfahrenstechnisches Wissen zur schmelzebasierten Herstellung von UD-Tapes zur Verfügung. Davon ausgehend werden die Wirkzusammenhänge zwischen den Eigenschaften von UD-Tapes und daraus hergestellten Laminaten beschrieben. Für die Untersuchungen werden Glasfasern und Polypropylen verwendet. Die Untersuchungen zur geometrischen Ausführung des Imprägnierwerkzeugs zeigen, dass die Zeit, zu der ein Imprägnierdruck im Schmelzefilm zwischen Faserband und Umlenkelement anliegt, durch eine steigende Anzahl an Umlenkungen erhöht werden kann. Dadurch werden geringere Luftporengehalte sowie eine gleichmäßigere Faserverteilung im UD-Tape erreicht. Ungleichmäßig gespreizte Rovings mit Gassen im Faserband führen zu einem ungleichmäßigen FVG über der UD-Tapebreite, deutlich höheren Luftporengehalten und einer gruppierten Faserverteilung im UD-Tape. Die Eigenschaften der Laminate, die mittels Kontaktheizverfahren hergestellt werden, werden besonders durch die Faserverteilung der UD-Tapes beeinflusst. Eine ungleichmäßige Faserverteilung im UD-Tape führt zu einer ungleichmäßigen Faserverteilung im Laminat. Der Luftporengehalt wird schon nach Heizzeiten von 60 s und einer Heiztemperatur von 200 °C von 2,6 % im UD-Tape auf 0,9 % im Laminat verringert. Bei der Laminatherstellung mittels automatisiertem laserunterstützten UD-Tapelegen entsprechen der Luftporengehalt und die Faserverteilung der Laminate dem der UD-Tapes. Somit müssen UD-Tapes, die mittels automatisiertem laserunterstützten UD-Tapelegen verarbeitet werden, höhere Anforderungen erfüllen als UD-Tapes, die mittels Kontaktheizverfahren verarbeitet werden.