TheCoS

Im Rahmen des Projektes ist für die vollständige Durchtränkung der Fasern mit thermoplastischen Kunststoff ein geschlossenes Schmelzbad-Imprägnierungsmodul entwickelt worden (s. Video Halbschnittflug/oben). Über einen Laborextruder wird das Thermoplastgranulat aufgeschmolzen und in den Innenraum des Imprägniermoduls gefördert, wo dieser durch geregelte Heizelemente im geschmolzenen Zustand verbleibt. Zur Auswahl und Charakterisierung geeigneter Thermoplastmaterialien werden deren thermomechanischen Materialeigenschaften mittels Rheometer, Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) bestimmt. Der um vier Bolzen geführte Roving wird hauptsächlich an jenen Umlenkpunkten durch die hohe Druckdifferenz zwischen den Einzelfilamenten vollständig mit geschmolzenem Thermoplast durchtränkt. Für die Imprägnierqualität spielt zudem der Einsatz von Verstärkungsfasern mit geeignetem Schlichtesystem für den genutzten Thermoplast eine Rolle. Die erzeugten faserverstärkten Thermoplasttapes härten dabei nach Austritt aus der Düse bei Raumtemperatur aus, weshalb im nächsten Schritt des Wickelprozesses eine Konsolidierung mittels Wärme- und Druckeinbringung realisiert werden muss, die es ermöglicht, mehrere Einzeltapes flächig und stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Dies wird, wie im Video Demonstration Konsolidierung/unten dargestellt, durch einen Infrarot-Strahler mit Temperaturüberwachung sowie Anpressdruck über eine pneumatisch geregelte Anpresswalze realisiert. Die Verbindungsstellen der erzeugten Rohrstrukturen werden durch Optimierungsmaßnahmen mittels Schliffbildanalyse fortführend untersucht, bis eine homogene Verteilung der Fasern im Querschnitt und eine homogene Verschmelzung der Einzeltapes erreicht wird. Die Identifizierung der optimalen Prozessparameter beim Imprägnieren wird durch Qualitätsuntersuchungen der erzeugten faserverstärkten Thermoplasttapes hinsichtlich mechanischer Eigenschaften mittels DMA sowie Zugversuchen und bezüglich des Porengehaltes mittels Röntgen-Computertomographie (μCT) abgesichert. Das Ziel eine zuverlässige Prozesskette zur Herstellung von tragenden Faserverbundstrukturen mit thermoplastischer Matrix bereitzustellen, ist somit erreicht.

Der, bereits bei der Herstellung der faserverstärkten Rohre genutzte, Vorteil einer Aufschmelzbarkeit des Thermoplastes wird auch im nachfolgenden Schritt genutzt. Das Rohr soll mit einer weiteren Kunststoffkomponente über eine dreidimensional verlaufende Schweißnaht stoffschlüssig verbunden werden. Zur Erzeugung der Verbindung dient das Laser-Durchstrahlschweißen mittels eines Ytterbium-Faserlasers mit einer Kombination aus Infrarotkamera und einem 3D-Scanners mit integriertem Pyrometer zur Prozessüberwachung und -regelung (s. Bild unten).

Der im Bild oben rechts zu sehende Demonstrator liefert den funktionellen Nachweis einer dreidimensional verlaufenden Schweißnaht eines faserverstärkten Thermoplastrohres, dessen Thermoplastmaterial als energieabsorbierende Fügepartner fungiert, mit einem transparenten Fügepartner aus selbigen Kunststoff und Kurzfaserverstärkung. Für das Rohr werden Glasfaserrovings mit Thermoplastschlichte sowie einem verrußten PA6-Matrixsystem und für den Fügepartner PA6 mit Kurzglasfaserverstärkung GF30 verwendet.