Untersuchung des Verhaltens und der Verarbeitung von Thin-Ply Prepreg mittels Fertigungsversuchen und Parameterstudien
2020
Luft- und Raumfahrtkomponenten aus Faserverbundwerkstoffen besitzen im Vergleich zu
metallischen Materialien bessere spezifische mechanische Eigenschaften; andererseits weisen
sie eine tendenziell geringere Schadenstoleranz auf. In den letzten Jahren erfuhren so genannte
„Thin-Ply“ Materialien (besonders dunne Faserlagen) zunehmend Aufmerksamkeit, nicht
zuletzt aufgrund ihrer Fahigkeiten, die Festigkeit bei verschiedenen Belastungen im Vergleich
zu Faserverbundwerkstoffen mit herkommlichen Lagendicken zu verbessern und Mikrorisse
wirksam zu unterdrucken. Obwohl Thin-Ply Materialien bereits in einigen Komponenten
der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, haben sie noch keine breite Anwendung in der
automatisierten Fertigung gefunden. Bisher angewandte automatisierte Fertigungsverfahren
resultierten in Qualitatsdefiziten. Die gegenwartigen Risiken der automatisierten Fertigung
mit Thin-Ply Materialien basieren auf einer bislang ungenugenden Forschung und damit
verbundenen unzureichenden Erkenntnissen.
Ziel dieser Arbeit ist es, das Potenzial der automatisierten Fertigung mit Thin-Ply Prepreg
(vorimpragnierte Fasern) mittels einer Machbarkeitsstudie systematisch zu untersuchen. Dazu
wird Thin-Ply Prepreg sowohl manuell als auch automatisiert per Automated Fiber Placement
(AFP) abgelegt. Per Handablage werden Panels gefertigt, welche fur zukunftige Zug- und
Druckproben verwendet werden. Bei der AFP-Ablage werden verschiedene Verarbeitungsparameter variiert, um die Ablagequalitat zu optimieren. Die Untersuchungen erfolgen sowohl
im Versuchsmasstab anhand einfacher Geometrien als auch an einem Demonstratorbauteil,
welches komplexe Lagengeometrien aufweist. Aus den Erkenntnissen wird zudem ein industrielles Fertigungskonzept fur die ebenfalls automatisierte Herstellung von Omega-Stringern
erarbeitet.
Die im Rahmen dieser Arbeit angefertigten Panels aus Thin-Ply Prepreg bieten die Grundlage fur weitere Materialversuche. Sowohl bei der manuellen als auch bei der automatisierten
Ablage wird festgestellt, dass die Haftung des Materials ohne Warmeeinwirkung sehr gering
ist. Erschwerend kommen bei der automatisierten Ablage Forderprobleme hinzu. Unter Berucksichtigung der durchgefuhrten Parameter-Optimierungen kann die Ablagequalitat von
Thin-Ply Prepreg per AFP dennoch gesteigert werden. Das vorgestellte Fertigungskonzept
fur Omega-Stringer reduziert die Komplexitat deren Herstellung verbunden mit der Verwendung von Thin-Ply Prepreg. Es wird erwartet, dass die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen
Erkenntnisse den Einsatz noch leistungsfahigerer Faserverbundwerkstoffe ebnen werden.
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