ISBN 978-3-8439-5352-8

978-3-8439-5352-8, Reihe Luftfahrt

Tristan Schlotthauer
Additive Fertigung diskontinuierlich faserverstärkter Kunststoffe mittels invertierter, stereolithografischer Flächenbelichtungsverfahren

247 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2023), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Dissertation untersucht die Potentiale einer Integration von Glas- und Kohlenstoffkurzfasern im invertierten, stereolithografischen Flächenbelichtungsverfahren.

Grundlagenstudien entlang des gesamten Fertigungsprozesses zeigen systematisch die Auswirkung einer Kurzfaserintegration auf die Prozessierbarkeit von Photopolymeren und ermöglichen die Ableitung eines Prozessfensters.

Innerhalb des identifizierten Prozessfensters werden die maximal erreichbaren mechanischen Verbundeigenschaften untersucht. Dazu wird das Spannungs-Dehnungsverhalten eines Photopolymers angepasst und die Faser-Matrix-Haftung durch Aufbringung einer Schlichte verbessert. Die Einflüsse des Kurzfaseranteils und der Faserlänge werden anhand von Zugversuchen untersucht. Auf Grundlage der experimentell ermittelten Datenbasis wird die Eignung von analytischen Modellen zur Beschreibung der mechanischen Kurzfaser-Verbundeigenschaften evaluiert und hiermit eine Eingrenzung der erreichbaren Maximalwerte innerhalb des Prozessfensters durchgeführt. Dabei zeigen Glaskurzfasern gegenüber Kohlenstoffkurzfasern größere Potentiale, insbesondere durch Ausrichtung in Belastungsrichtung.

Zur prozesstechnischen Umsetzung einer gezielten Kurzfaserausrichtung während des Schichtaufbaus wird ein Rakel- und Wannensystem mit angepasstem Belichtungskonzept entworfen. Eine Analyse der hiermit erzielbaren Faserorientierungen zeigt in Abhängigkeit der Prozessparameter eine hohe, von der Schichtgeometrie unabhängige, unidirektionale Ausrichtung. Gegenüber dem Stand der Technik sowie dem ursprünglichen Fertigungsprozess wird hiermit eine signifikante Steigerung der spezifischen, mechanischen Verbundeigenschaften erreicht und somit die Herstellung von komplexen Leichtbaustrukturen ermöglicht.