On the in-situ manufacture of thermoplastic sandwich structures with continuous fibre reinforced facesheets and integral foam cores : Zur In-Situ Herstellung thermoplastischer Sandwichstrukturen mit endlosfaserverstärkten Decklagen und Integralschaumkernen

Weidmann, Felix Christian GND

Steigende Anforderungen an kosteneffizienten Leichtbau insbesondere im Automobilbereich, haben zur Entwicklung neuartiger hybrider Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Endlosfaser verstärkten Thermoplasten (engl. continuous fibre reinforced thermoplastics, CFRTP) beigetragen. Ein vielversprechendes Beispiel ist der in-situ CFRTP-Sandwichprozess, der das Umspritzen von Basisstrukturen CFRTP mit dem Schaumspritzgießverfahren kombiniert. Dieser hybride Prozess ermöglicht die Fertigung funktionsintegrierter CFRTP-Sandwichbauteile mit hohen gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften und komplexer Geometrie in niedrigen Zykluszeiten. Für die Anwendung dieses Prozesses in der industriellen Fertigung solcher in-situ Bauteile sind jedoch Methoden zu deren Vorauslegung notwendig. Diesbezüglich bestehen aktuell grundsätzliche wissenschaftliche Herausforderungen, die zunächst adressiert werden müssen. Dies sind insbesondere der kritische Aspekt der Grenzflächenverbindung zwischen CFRTP-Decklagen und spritzgegossenem Schaumkern sowie auf das daraus resultierende gewichtsspezifische mechanische Verhalten in Abhängigkeit der Material- und Prozessparameter. In diesem Zusammenhang setzt sich die vorliegende Arbeit zum Ziel, die Mechanismen der Grenzflächenverschweißung bei der in-situ-Herstellung von CFRTP-Sandwichstrukturen zu ermitteln. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen Prozess- sowie Materialparametern und dem daraus resultierenden gewichtsspezifischen Biegeverhalten dieser in-situ Sandwichbauteile untersucht. Damit soll der Grundstein gelegt werden für die Entwicklung von Methoden zur Vorauslegung von in-situ CFRTP-Sandwichstrukturen. Für die quantitative Bewertung der Grenzflächenverschweißung von in-situ CFRTP-Sandwichstrukturen müssen zunächst geeignete Prüfverfahren etabliert werden. Anschließend werden experimentelle Kampagnen durchgeführt, um jene Mechanismen zu evaluieren, die für die Ausbildung der Grenzflächenverbindung während des in-situ Prozesses verantwortlich sind. Nach einer Fokussierung auf die polymerspezifischen Anbindungsmechanismen, wird der Einfluss von chemischen und physikalischen Treibmitteln auf die Verschweißung von CFRTP-Deckschicht und Schaumkern untersucht. Weiterhin wird das inhärente Leichtbaupotenzial von in-situ CFRTP-Sandwichstrukturen anhand der gewichtsspezifischen Biegesteifigkeit bewertet. Dazu werden die durch Material- und Prozessparameter induzierte Schaummorphologie sowie die entsprechenden gewichtsspezifischen Biegeeigenschaften von in-situ CFRTP-Sandwichproben mittels Mikrocomputertomographie sowie Vierpunktbiegeversuchen evaluiert. Basierend auf diesen Untersuchungen werden modellbasierte Methoden zur Vorhersage der Grenzflächenbindung sowie des gewichtsspezifischen Biegeverhaltens von in-situ CFRTP-Sandwichstrukturen entwickelt und anhand experimenteller Daten validiert. Um die Anwendbarkeit der in dieser Arbeit entwickelten Methoden in der Ingenieurspraxis zu demonstrieren, werden sie zur Vorlauslegung von in-situ CFRTP-Sandwichbauteilen als Substitution einer Stahlreferenzkomponente eingesetzt. Dies soll weiterhin das vielversprechende Potenzial für einen kosteneffizienten Leichtbau von in-situ CFRTP-Sandwichbauteilen unterstreichen.

Novel hybrid processes for the manufacture of continuous fibre reinforced thermoplastic (CFRTP) components have been emerging, due to increasing requirements regarding cost-efficient lightweight design especially in the automotive sector. A promising example is the in-situ CFRTP sandwich process, which combines overmoulding of thermoplastic composites with foam injection moulding. This hybrid process enables function-integrated components with high weight specific mechanical properties and complex geometry at low cycle times. However, methods for the pre-design of in-situ CFRTP sandwich components are required for the application of this process in industrial component manufacture. Therefore, several challenges must be met especially with respect to the critical aspect of interfacial bonding between CFRTP facesheets and injection moulded core as well as to the resulting weight specific mechanical behaviour depending on the material and process parameters. In this context, the present work aims to clarify the mechanisms behind the interfacial bonding development during the in-situ manufacture of CFRTP sandwich specimens. Furthermore, the relationship between process as well as material parameters and the resulting weight specific flexural behaviour of sandwich components is evaluated. This shall lay the foundation for the development of methods, which enable the mechanical modelling of in-situ CFRTP sandwich structures and thereby facilitate the pre-design of new components. For the quantitative evaluation of the interfacial bonding of in-situ CFRTP sandwich structures, suitable test methods need to be established at first. Subsequently, experimental campaigns are conducted in order to evaluate the mechanisms responsible for the development of interfacial bonding during the in-situ process. Therefore, polypropylene-based in-situ CFRTP sandwich specimens are manufactured and subsequently object of mechanical testing and analysis. After focusing on an investigation of the polymer specific bonding mechanisms, the effect of chemical and physical blowing agents on the interfacial bonding of facesheet and core is determined. In addition, the inherent lightweight design potential of in-situ CFRTP sandwich structures is evaluated, represented by the weight specific flexural rigidity. For this purpose, the foam morphology that is induced by material and process parameters as well as the corresponding weight specific flexural properties of sandwich specimens are assessed via micro computer tomography and four-point bending tests respectively. Based on these studies, model based predictive characterisations of the interfacial bonding as well as of the weight specific flexural behaviour of in-situ CFRTP sandwich structures are developed and evaluated using experimental data. In order to demonstrate the applicability of the developed models in the pre-design of in-situ sandwich components, they are used for the substitution of a steel reference component. This shall further highlight the promising potential regarding cost-efficient lightweight design of in-situ CFRTP sandwich structures.

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Weidmann, Felix: On the in-situ manufacture of thermoplastic sandwich structures with continuous fibre reinforced facesheets and integral foam cores. Zur In-Situ Herstellung thermoplastischer Sandwichstrukturen mit endlosfaserverstärkten Decklagen und Integralschaumkernen. Clausthal 2020.

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