Forschern gelingt Faserimprägnieren und Schäumen in einem Step

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Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der Rheinisch-Westf. TH Aachen

Wichtigste Einflussparameter im Visier

Als Vorstufe für die EP-Sandwichstruktur-Herstellung wurde das grundlegende Verarbeitungsverhalten ausgewählter EP-Schaumsysteme in einem geschlossenen Versuchswerkzeug analysiert, um die Prozessparameter für eine spätere Übertragung im Nasspresswerkzeug einzugrenzen. Als Treibmittel wurden unterschiedliche expandierende Mikrohohlkugeltypen der Matsumoto Yushi-Seiyaku Co, Ltd. aus Japan genutzt. Für eine maximale Volumenzunahme und damit optimale Gewichtssenkung wurden Typen ausgewählt, deren Expansionsrate ein Maximum im Bereich der Aushärtungstemperatur des Harzsystems (etwa 120 °C) hat. Als Harz wurde Epikote Resin 05475 / Epicure Curing Agent 05443 von der Hexion Inc. verwendet.

Wesentlich für die Bauteilherstellung waren die Kenntnisse über den Einfluss der zentralen Verarbeitungsparameter (Werkzeugtemperatur, Treibmittelgehalt, Harzmenge und Hohlkugeltyp) auf die Schaumausbreitung und -qualität. In den Untersuchungen wird der Werkzeuginnendruck in der Kavität als Prozessgröße mit aufgezeichnet und als Auswertungskriterium bei der Korrelation mit der resultierenden Schaumstruktur herangezogen, die einen dominierenden Einfluss auf die Bauteileigenschaften hat. Die Analyse der Schaumstruktur erfolgte anhand der Kriterien Zellstruktur und -größe sowie der Dichteverteilung.

Imprägnierung der Deckschichten ist steuerbar

Zunächst zeigte sich, dass das Verhältnis von Harzmenge zu Mikrohohlkugelanteil ein wesentlicher Faktor für einen homogenen Schaum ist. Wie in Bild 4 exemplarisch für die Hohlkugeltype F-36LV dargestellt, führt sowohl eine zu geringe Harzmenge (Bild oben) als auch eine zu hohe Harzmenge (unten) zu Inhomogenitäten wie auch zu Rissen, die vermutlich durch Eigenspannungen entstehen. Eine genaue Abstimmung zwischen den Parametern Harzmasse und Treibmittelanteil einerseits und den verwendeten Materialien andererseits kann jedoch zu einer homogenen Schaumstruktur (Mitte) führen.

Auch die Mikrohohlkugeltypen (niedrige Starttemperatur: F-36LV, F-36D; hohe Startemperatur: FN105D, F-78KD) erzeugen diverse charakteristische Schaumstrukturen hinsichtlich Homogenität, Porengröße und Probenverfärbung aufgrund erhöhter exothermer Reaktionen (Bild 5).

Außer der Schaumstruktur ist die Bestimmung des Druckaufbaus im Epoxidharzgemisch durch die Expansion der Mikrohohlkugeln notwendig, um eine gute Imprägnierung der textilen Deckschichten zu gewährleisten. Je nach Parametervariation konnten in der Kavität Drücke zwischen 1,5 und 6,5 bar erzeugt werden. Es zeigte sich unter anderem, dass bei Erhöhung der Epoxidharzmasse (hier Typ F-36D) der Druck aufgrund der Schaumreaktion zunimmt (Bild 6). Außer der Schaumstruktur lässt sich so auch eine mögliche Imprägnierung der Deckschichten steuern.

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