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Grundlagen zur Herstellung von Thermoplast-Sandwichstrukturen mittels Laser-basiertem in-situ Thermoplast Automated Fiber Placement

Strukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) bieten aufgrund der hohen spezifischen Festigkeiten ein enormes Leichtbaupotential. In den letzten Jahren geht der Trend von duroplastischen zu thermoplastischen Materialien, um die Vorteile der Recyclierbarkeit sowie des Fügens zweier Bauteile durch lokales Aufschmelzen der Matrix nutzen zu können. Ein besonders gutes Verhältnis von mechanischen Eigenschaften zu Gewicht wird durch Sandwichstrukturen erreicht. Die Herstellung von thermoplastischen Sandwichstrukturen mit den gängigen Verfahren ist aktuell auf ebene Bauteile beschränkt. Vereinzelte Ansätze zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen erfordern hochkomplexe Werkzeuge sowie mehrschrittige Fertigungsprozesse und sind zudem auf eine einzige festzulegende Form begrenzt. Das Thermoplast Automated Fiber Placement (TAFP) bietet hingegen einen flexiblen Faserverbund-Fertigungsprozess. Für Prozesse, in denen gleichartige Halbzeuge verwendet werden, existiert bereits ein umfassendes Prozessverständnis. Allerdings fehlt Wissen über die Wirkmechanismen und die Ausprägung der optisch-thermomechanischen Wechselwirkungen bei der Ablage von anisotropen Tapes auf isotrope Schaumstrukturen. In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung einer kohäsiven Anbindung zwischen abgelegten Tapes und Schaumkern unter TAFP Prozessbedingungen prinzipiell möglich ist. Allerdings kommt es bei der Wahl ungeeigneter Prozessparameter zu einem lokalen Kollabieren der Schaumstruktur oder zu einer unzureichenden kohäsiven Anbindung der beiden Fügepartner.

Das Ziel dieses Projektes ist daher, ein grundlegendes Verständnis über die Zusammenhänge der optischen-thermomechanischen Wechselwirkungen in der Heiz- und Fügezone bei der Ablage kohlenstofffaserverstärkter thermoplastischer Tapes auf thermoplastischen Schaumkernen mittels laserbasiertem TAFP zu entwickeln. Hierzu wird in einem ersten Schritt die optische Interaktion der Laserstrahlung mit dem Schaummaterial und den Prepreg-Tapes untersucht und die aus der Reflexions-, Absorptions- und Transmissionscharakteristik der beiden Fügepartner resultierende Leistungsverteilung in der Heizzone in Abhängigkeit der Lasereinstellungen modellbasiert bestimmt. Des Weiteren wird das Schaum- und Konsolidierungsrollenverhalten unter Prozessparametern mechanisch charakterisiert und in Materialmodelle überführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Anschluss in ein thermomechanisches Prozessmodell zusammengeführt und validiert. Über eine Kopplung des thermomechanischen Prozessmodells mit einem Verbindungsfestigkeitsmodell wird der Einfluss der Prozessparameter auf die Anbindungsqualität zwischen abgelegten Tapeschichten und Schaumkern erforscht. Durch die Generierung eines grundlegenden Verständnisses wird die Grundlage zur Herstellung individuell gekrümmter thermoplastischer Sandwichstrukturen mittels laserbasiertem TAFP geschaffen.

Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

Laufzeit: 2023-2026