Einfluss von Binder auf die Herstellung von Faserkunststoffverbunden

Dickert, Matthias

In der Herstellung von Faserverbundkunststoffbauteilen in Flüssigimprägnierverfahren wird üblicherweise eine Kette von Prozessschritten durchlaufen, die zum fertigen Bauteil führt: Preforming - Injektion - Aushärtung - Nachbearbeitung. Die Handhabung der biegeschlaffen Verstärkungshalbzeuge im Preformingschritt ist eine komplexe Aufgabe mit bislang nur geringem Automatisierungsgrad. Der dadurch entstehende hohe manuelle Aufwand schlägt sich sowohl in der Fertigungsdauer als auch in der Kostenstruktur von Faserverbundbauteilen nieder und stellt ein Hemmnis für deren Verbreitung dar. Binder sind Hilfsstoffe, die im Preforming eingesetzt werden und das biegeschlaffe Verstärkungsmaterial versteifen, so dass es leichter handhabbar wird. Der Binder fungiert als Klebstoff, der eine Struktur- und Geometriefixierung der textilen Verstärkungshalbzeuge herbeiführen soll. Neben diesen Zielgrößen ruft der Binder weitere Effekte in den folgenden Prozessschritten hervor. So werden sowohl aufgrund der veränderten Fließkanalgeometrie des Halbzeugs als auch wegen möglicher Viskositätsänderungen des Matrixharzes die Tränkungseigenschaften beeinflusst. Daneben existieren unter anderem Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Das Ziel der Arbeit ist daher die umfassende Untersuchung dieser Bindereinflüsse, um so den bestmöglichen Gebrauch des Binders zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird schwerpunktmäßig die Fixierwirkung verschiedener Pulver- und Vliesbinder im Preformingschritt untersucht. Es werden Schäl-, 3-Punkt-Biege- sowie Kompaktierungstests abhängig von den Preformingparametern durchgeführt. Die Ergebnisse lassen den Schluss einer kapillarkraftgetriebenen Bindermigration zu, wodurch eine zunächst geschaffene Abstandhalterwirkung des Binders sukzessive reduziert wird. Weiterhin wird festgestellt, dass die üblicherweise eingesetzte Bindermenge von pauschal ca. 2 Gew.-% des Halbzeugflächengewichtes zu hoch ist. Für das verwendete Karbonfaserbiaxialgelege (300 g/m²) können abhängig vom Bindertyp und den gewählten Preformingparametern bereits 0,5 Gew.-% vergleichbare Preformeigenschaften liefern. Anschließend wird die Permeabilität von (un)bebinderten Preforms untersucht. Relativ zur unbebinderten Referenz weisen die bebinderten Preforms bei gleicher Gesamtporosität eine höhere oder gleiche Permeabilität auf, was unter anderem ein Resultat der Abstandhalterwirkung des Binders ist. Neben der experimentellen Permeabilitätsbestimmung, für die eigens eine Messvorrichtung konstruiert wird, erfolgt ihre Simulation, nach einer ebenfalls neuen bildanalytischen Methode. Die Resultate für unbebinderte Preforms entsprechen denen der experimentell ermittelten Werte, die Ergebnisse der bebinderten Preforms weichen jedoch davon ab. Schließlich werden die mechanischen Eigenschaften unter dem Einfluss von Binder im Short Beam Shear Test sowie mit Hilfe der dynamisch mechanischen Analyse ermittelt. Bindertyp- sowie bindermengenabhängig ergeben sich deutliche Unterschiede. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Eignung jeder Materialkombination im Hinblick auf die Prozesskette gesondert überprüft werden muss. Daher wird das in dieser Arbeit angewendete Vorgehen abschließend in einem generischen Versuchsplan zusammengefasst und steht damit für weitergehende Untersuchungen zur Verfügung.

Usually, the manufacture of fiber reinforced plastic (FRP) parts in liquid composite molding (LCM) processes follows a certain process chain: preforming – infusion – cure – finishing. Handling of the limp reinforcing fabrics during preforming is a complex procedure which – up to now – is automated to a small degree only. A high amount of manual labor results from that leading to long cycle times, high costs, and eventually posing an obstacle to the widespread use of FRPs. Binders are auxiliary materials which are used in preforming. They stiffen the limp reinforcing fabric so it can be handled in an easy way. Binder in this sense is used to lock the multi-layer structure itself as well as its geometry. Aside from these objectives, binders also induce undesired side-effects in downstream process steps. For example, the infusion step is altered due to changes in flow channel geometry and possible variations in resin viscosity. Other effects for instance impact the mechanical properties of FRP parts. Hence, the aim of this work is the comprehensive study of binder effects in order to allow its best use. Thus, the degree of fixation of different powder and hotmelt binders applied to a 300 g/m² biaxial carbon fabric is studied. Peel tests, three point bending tests, and compaction tests are conducted with varying preforming parameters. The results show that first additional flow channels are created by binder particles acting as spacer which subsequently are disintegrated by binder migration due to capillary flow of the binder between the filaments. Moreover, it is shown that the amount of binder commonly used in industrial applications, i.e. 2 wt.-%, is too high. Depending on the binder type and the preforming parameters similar preform properties could be achieved for 0.5 wt-% binder concentration instead. The permeability of (un)bindered preforms is also investigated experimentally with a purpose-built permeability measuring device. In comparison to the unbindered reference the bindered preforms show a higher or equal permeability for a given porosity. This is attributed to the binder’s spacer effect. Besides, the permeability of preforms is also simulated using a customized image analysis method and commercial CAD and CFD software. The results for unbindered preforms verify the experimental data, the results for bindered preforms, however, deviate. Finally, the effect of binder on the mechanical properties is studied using short beam shear tests (SBST) and dynamic mechanical analysis (DMA). Depending on the binder type and content considerable differences are found. All of these results lead to the conclusion that each binder/fabric combination and its applicability within a specific process chain needs to be investigated individually. Consequently, the multitude of tests carried out in this work is condensed into a generic work pattern to be applied to future material combinations.

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Dickert, Matthias: Einfluss von Binder auf die Herstellung von Faserkunststoffverbunden. 2015.

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