Qualitätsorientierte Prozessauslegung im Resin Transfer Molding

Resin Transfer Molding (RTM) als Herstellungsverfahren für Faserverbundbauteile bietet die Vorteile kurzer Zykluszeiten und niedriger Fehlstellengehalte in Form von Poren. Die Realisierung dieser beiden Ziele ist jedoch nur möglich, wenn der Einfluss der Prozesskenngrößen auf den Fehlstellengehalt bekannt ist. Hierzu wird in der vorliegenden Arbeit ein Beitrag geleistet.

Die Bildung von Poren findet während der Benetzung der Faserbündel an der Fließfront des Harzes statt. Dabei entstehen aufgrund von Permeabilitätsunterschieden sowie der Wirkung des Kapillareffekts Ungleichmäßigkeiten, die zum Einschluss von Luft führen. In bisherigen Untersuchungen wurden zur Abschätzung des Porengehalts stets statische Kenngrößen verwendet und es erfolgte keine ausreichende Berücksichtigung der Bündelgeometrie. Daher können Ergebnisse nicht zur Prozessoptimierung auf konkret vorliegende Fälle übertragen werden.

Mit Hilfe hier neu entwickelter Bündeltränkungsmodelle, in denen der dynamische Kontaktwinkel zwischen Harz und Faser erstmals rechnerisch erfasst wird, werden zunächst die Vorgänge an der Fließfront beschrieben. Es wird aufgezeigt, dass der Kapillareffekt bei hohen Tränkungsgeschwindigkeiten nicht mehr vorantreibend, sondern hemmend wirkt. Die Tränkungsmodelle werden in Fehlstellenentstehungsmodelle für sphärische und zylindrische Poren überführt. Ein neuartiges Weibull-Modell liefert dabei die Viskositätsentwicklung des Harzes während der Injektionsphase.

Im anschließenden praktischen Teil werden Prozessversuche innerhalb eines Versuchsraums aus unterschiedlichen Preforms durchgeführt, in denen gezielt Poren erzeugt werden. Die vorliegenden Prozesskenngrößen werden in einem Glaswerkzeug in-situ erfasst. Die Gehalte der wesentlichen Fehlstellenarten werden analysiert. Hieraus ergeben sich empirisch ermittelte Anpassungsfaktoren für die Fehlstellenentstehungsmodelle, die von Faserhalbzeug oder Benetzungsrichtung abhängig sind. Die Modelle sind damit auf weitere Halbzeuge übertragbar.

Abschließend wird ein Algorithmus zur Bestimmung der Injektionsparameter auf Basis des zu erwartenden Fehlstellengehalts anhand eines Beispielbauteils präsentiert. Dieser gestattet eine Prozessoptimierung, die sowohl eine kurze Zykluszeit als auch einen niedrigen Fehlstellengehalt zum Ziel hat. Somit wird ein kostengünstiger und qualitativ hochwertiger RTM-Prozess ermöglicht.

Resin Transfer Molding (RTM) as a manufacturing process for fiber composite components offers the advantages of short cycle times and low void content in form of pores. However, the realization of these two objectives is only possible if the influence of the process parameters on the void content is known. A contribution is made to this in the present work.

The formation of voids in RTM takes place at the flow front of the resin that wets out the fiber bundles. Due to differences in permeability and the capillary effect, uneven flow fronts are created which leads to air entrapments. In previous investigations, static parameters were used to estimate the pore content and the bundle geometry was not sufficiently taken into account. Therefore, results cannot be transferred for process optimization of concrete parts.

With the help of here newly developed bundle impregnation models, in which the dynamic contact angle between resin and fiber is calculated for the first time, the processes at the flow front are described. It is shown that the capillary effect at high impregnation rates no longer has a driving effect but an inhibiting effect. The impregnation models are transferred into models of void formation for spherical and cylindrical pores. A novel Weibull model provides the viscosity development of the resin during the injection phase.

In the subsequent practical part, process tests are carried out within a testing space using different preforms in which pores are specifically created. The existing process parameters are recorded in-situ using a glass mold. The contents of the main types of voids are analyzed. This results in empirically determined adaptation factors for the void formation models, which depend on the semi-finished fiber product or wetting direction. The models are thus transferable to other semi-finished products.

Finally, an algorithm for determining the injection parameters based on the expected void content is presented using an example component. This allows a process optimization aiming at a short cycle time as well as a low void content. Thus, a cost-effective and high-quality RTM process is made possible.

Die Entstehung von Fehlstellen in Form von Luftblasen im Resin Transfer Molding (RTM) verhindert eine Beschleunigung des Prozesses hin zu kurzen Zykluszeiten. Die Bildung dieser Fehlstellen hängt vom Zusammenspiel von Prozessparametern und Stoffeigenschaften auf unterschiedlichen Betrachtungsebenen ab. Bisherige Modelle können die dabei wirksamen Mechanismen nicht ausreichend beschreiben. Im Rahmen der Arbeit werden erstmalig dynamische Oberflächenkennwerte für die Erstellung von Bündeltränkungsmodellen genutzt. Diese werden in geometrieabhängige Fehlstellenentstehungsmodelle überführt. Anhand umfassender Prozessversuche erfolgt deren Anpassung und Validierung, sodass übertragbare Modellvorstellungen entstehen. Es wird eine Vorgehensweise präsentiert, wie mit Hilfe der validierten Modelle die Optimierung des Injektionsvorgangs im RTM vorgenommen werden kann. So wird eine Prozessauslegung für fehlstellenarme und zugleich in kurzer Zykluszeit herstellbare Bauteile ermöglicht.

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