ISBN 9783843932226

978-3-8439-3222-6, Reihe Ingenieurwissenschaften

Marcus Arnold
Verbesserung der Materialeigenschaften von CFK durch den gezielten Einsatz von thermoplastischen Fadengelegen (Band 33)

167 Seiten, Dissertation Technische Universität München (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Anforderungen an zivile Verkehrsflugzeuge steigen stetig an. Kunden und Gesetzgeber fordern dabei von den Herstellern unter anderem eine laufend verbesserte Energieeffizienz. Um diese Vorgabe zu erfüllen, kommen bei der Herstellung der Flugzeugstrukturen vermehrt Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz. Für Bauteile in mittleren Stückzahlen (1‘000 bis 20‘000 Stk./Jahr) kommen aus Gründen der Bauteilqualität und der Kosteneffizienz Verfahren aus der Familie der Liquid Composite Moulding (LCM) zur Anwendung.

Robustheit und Langlebigkeit sind sehr wichtige Anforderungen an diese Materialien. So kombiniert CFK hervorragende mechanischen Eigenschafen zusätzlich mit außergewöhnlich niedrigem Gewicht. Die Sprödheit des Epoxidharzes führt jedoch zu bedeutenden Nachteilen bei schlagartigen Belastungen. Eine relativ simple Methode zur Erhöhung der Schlagzähigkeit beschreibt die Einbringung von Einlegern zwischen die einzelnen Faserlagen. Diese Modifikation der sogenannten interlaminaren Schicht sorgt für eine erhöhte Energievernichtung an der Rissspitze und somit zu einem verringerten Risswachstum.

Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, welches der verfügbaren Polymere sich für die Modifikation der interlaminaren Schicht am besten Eignet. Die Polymere unterscheiden sich dabei neben den Schmelzpunkten auch in ihrem Anbindungsverhalten an das Epoxidharz. Dabei gehen sie in Lösung, bleiben nach dem Schmelzen in einer eigenen Phase bestehen oder sie schmelzen nicht während des Aushärtezyklus. Außerdem soll aufgezeigt werden, wie sich die Anwesenheit von graphitbasierten Additiven im Thermoplast zusätzlich auf die Materialeigenschaften von CFK auswirkt.

Ziel dieser Arbeit ist daher die Grundlagen für die Entwicklung eines geeigneten thermoplastischen Halbzeuges zu erarbeiten, welches die Schlagzähigkeit von CFK effektiv steigert. Dabei stellte sich heraus, dass Polyamid 12 (PA12) in Form eines Fadengeleges die leistungsfähigste Kombination darstellt.

Die in den Laborversuchen gewonnen Ergebnisse wurden im Rahmen einer Machbarkeitsstudie angewendet. Dabei wurde der Preform einer Luftfahrtstruktur gezielt modifiziert und das Bauteil mittels eines LCM-Prozesses hergestellt. Nachfolgende Untersuchungen zeigten eine signifikante Reduktion der Delaminationen infolge von schlagartigen Belastungen. Somit konnte die Einsatztauglichkeit des PA12-Fadengeleges aufgezeigt werden.