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Konstruktionswerkstoffe

Dünnschichtlaminate aus textilverstärktem FKV

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Frank Helbig und Mike Scheika / Frauke Finus

Dünnschichtlaminat: Dieser PKW-Unterbodenschutz (Bauteilausschnitt) hat eine Lamitatdicke von 4 mm und eine Vollverstärkung aus OLU-Preg.
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Dünnschichtlaminat: Dieser PKW-Unterbodenschutz (Bauteilausschnitt) hat eine Lamitatdicke von 4 mm und eine Vollverstärkung aus OLU-Preg. (Bild: SKM Moers)

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Durch Faserrovings in niedrigen Feinheiten entstehen textilverstärkte Kunststoffverbunde. Sie werden im textilen Verfahren mit Verstärkungsstrukturen gefertigt. So führen sie als Non-Crimp-Fabrics zu reproduzierbaren, praktisch verwertbaren Materialleistungen in Großserie.

Weltweit werden enorme Anstrengungen unternommen, die Verbundleistungen endlosfaserverstärkter thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) weiter zu verbessern und dabei gleichzeitig Herstellungszeiten und -kosten zu verringern. Die Festigkeit und Steifigkeit von Compositebauteilen wird maßgeblich von den verwendeten textilen Verstärkungsmaterialien und -strukturen sowie den Faseranteilen und -anordnungen innerhalb der Faser-Kunststoff-Verbunde bestimmt. Die thermoplastischen FKV sind auf Grund ihres duktilen Materialverhaltens, der Umformbarkeit unter thermischem Einfluss, kurzer Verarbeitungszeiten sowie guter Recycelbarkeit im Fokus der Material- und Verfahrensentwicklungen für Leichtbauanwendungen.

Neben der mikro- und mesostrukturellen Anordnung der textilen Verstärkungsfasern ist bei thermoplastischen FKV-Werkstoffen der Erhalt der Strukturordnung während des Imprägnierungs- und Konsolidierungsprozesses sowie bei Umformung unter thermischer Beanspruchung hinsichtlich erzielbarer Verbundleistungen von ganz wesentlicher Bedeutung. Andererseits ist eine Imprägnierung der textilen Verstärkungsstrukturen unter anderem bedingt durch die höhere Viskosität von polymeren, thermoplastischen Schmelzen nur über verhältnismäßig kurze Fließwege möglich. Diesen besonderen Anforderungen an Herstellung und Weiterverarbeitung thermoplastischer FKV werden komplexe textile Halbzeuge am besten gerecht. Sie lassen sich diesbezüglich gezielt darauf ausrichten bereits im textilen Fertigungsprozess in beziehungsweise um die Strukturordnung der Verstärkungsfasern die Matrixkomponente entsprechend zu platzieren. Somit entstehen einfach handhabbare, strukturstabile und drapierbare Halbzeuge, aus denen sich thermoplastische Composites effizient und großserientauglich herstellen lassen. Verfügbare Textiltechnik sowie davon abgeleitete Modifikationen bieten technisch-technologische Varianten und Möglichkeiten, um derartige komplexe Halbzeuge für thermoplastische FKV bereitzustellen. Im Folgenden werden unter Einsatz von Legetechnik hergestellte, textile Non-Crimp-Fabric-(NCF)-Halbzeuge, Art und Weise ihrer Verarbeitung zum neuartigen OLU-Preg-Composite, ausgewählte Eigenschaften dieser neuartigen thermoplastischen FKV-Materialien sowie verschiedene Anwendungsmöglichkeiten erläutert.

Textile Einbettung der NCF-Verstärkungsschichten

Die textile Grundkonstruktion besteht aus einem Mehrlagenaufbau, bei dem unidirektional ausgerichtete Verstärkungsfaserschichten jeweils beidseitig von gleichfalls textilbasiertem Matrixmaterial umhüllt werden. Da jeder Verbundkomponente im Lagenaufbau eine eigene Ausbreitungsebene zugeordnet ist, enthält das textile Halbzeug bereits strukturmechanisch voneinander unabhängige Verstärkungsschichten gemäß den Gestaltungsweisen von UD-Laminaten. Die Verstärkungsfaserschichten werden aus Rovings in Feinheiten bis zu 600 tex gebildet. Auf besondere Mittel zur Spreizung der Verstärkungsrovings im Verlegeprozess wird vollständig verzichtet. Durch die textile Einbettung der direkt orientierten NCF-Verstärkungsschichten sind diese in der Verarbeitung unter der Druck- und Temperaturbeanspruchung zur Imprägnierung mechanisch geschützt und bleiben nach der Konsolidierung durch eine dünne Kunststoffschicht ondulationsfrei, voneinander strukturunabhängig getrennt. Infolge dessen beeinträchtigen sich die Verstärkungsschichten, ob als textiles Halbzeug oder als Composite, bei Weiterverarbeitung in Ur- oder Umformprozessen zu entsprechenden Bauteilen nicht. Vielmehr können sie aus direkter Orientierung der unidirektionalen Einzellage unabhängig voneinander den erzwungenen Formänderungen folgen. Wirkfäden aus kompatiblem Matrixmaterial sorgen für einen sicheren Zusammenhalt der einzelnen Sandwichschichten im Verarbeitungsprozess zum Composite.

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