Mechanisms, influencing factors and manufacturing implication of prepreg tack in automated fiber placement
Im Bestreben, technologische und wirtschaftliche Herausforderungen im
Zusammenhang mit der kosteneffizienten Produktion von Faserverbundbauteilen
in Hochlohnländern zu bewältigen, wurden in den letzten Jahrzehnten
automatisierte Fertigungstechnologien in einer Vielzahl von Branchen eingeführt.
Im Luftfahrtsektor ist das Automated Fiber Placement (AFP) eine etablierte
Fertigungstechnologie zur effizienten Herstellung von großformatigen,
hochbelasteten Faserverbunden aus Kohlefaser/Epoxid-Prepregs. Obwohl das
Verfahren seit den späten 1980er Jahren den Stand der Technik im Flugzeugbau
darstellt, ist es anfällig für Fertigungsfehler, die häufig auf eine unzureichende
Haftung der Prepregs zurückzuführen sind – eine Materialeigenschaft, die
gemeinhin als Prepreg-Tack bezeichnet wird.
In der Forschungsliteratur wurde die Klebrigkeit von Prepregs in der Vergangenheit
aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht, wobei sowohl unterschiedliche
Materialien als auch Messverfahren zum Einsatz kamen. In der Folge ist ein
Vergleichbarkeits- und Übertragbarkeitsdefizit zu verzeichnen, während es
Hinweise dafür gibt, dass es sich bei Prepreg-Tack um ein komplexes Phänomen
handelt, welches holistische Betrachtung erfordert. In dieser Arbeit werden daher
die zugrundeliegenden Mechanismen (Oberflächenbenetzung, Autohäsion,
Kontaktausbildung), prozess- und umweltbedingte Faktoren (Alterung,
Kompaktierungsdruck, Legegeschwindigkeit, Temperatur), Materialkriterien
(Harztyp, Zähmodifizierung, B-Staging), messtechnische Effekte (Stempel- und
Schältest) sowie fertigungsrelevante Implikationen des Prepreg-Tacks im AFP
eingehend untersucht.
Es wurde festgestellt, dass die Klebeeigenschaften von allen untersuchten Faktoren
signifikant beeinflusst werden. Die Einflüsse konnten auf Veränderungen der
Prepregeigenschaften zurückgeführt werden, die durch umfassende ergänzende
Materialanalyse offengelegt wurden. Die eingesetzten Messverfahren erwiesen sich
als geeignet für die Messung der Prepreg-Klebrigkeit in Bezug auf
Reproduzierbarkeit und die Fähigkeit, zugrundeliegende Haftmechanismen zu
erklären. Einschränkungen ergaben sich jedoch in Hinblick auf die messtechnische
Repräsentation der AFP-Prozessparameter. Daher wurde die fertigungstechnische
Reichweite des Prepreg-Tacks mithilfe eines semi-empirischen AFP-Prozessmodells
bewertet, das die charakteristischen glockenförmigen Klebrigkeitskurven als
Funktion der Materialtemperatur für verschiedene Fertigungsszenarien erfolgreich
reproduzierte. Darüber hinaus wurden experimentell begründete und
modellgestützte Empfehlungen zur Anpassung von Formulierungen für
thermoplastisch schlagzähmodifizierte Prepregs auf Epoxidharzbasis in Hinblick
auf die Klebrigkeit erarbeitet. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse bieten
dadurch eine fundierte Grundlage für Prozessanpassungen, um die Anforderungen
an die Klebrigkeit von Prepregs zu erfüllen und somit das Risiko von
Laminatdefekten während der automatisierten Prepregablage zu reduzieren.
In an effort to tackle the technological and economical challenges linked to costeffective
production of composite parts in high-wage countries, automated
manufacturing technologies have been established in different industries over the
last decades. In the aviation sector, automated fiber placement (AFP) is a driving
technique to efficiently manufacture large-scale, high-performance composite
parts from carbon fiber/epoxy prepregs. Despite being industry standard since the
late 1980s, the process is prone to manufacturing defects which result from
insufficient adhesion of prepregs, commonly related to as prepreg tack.
In literature, prepreg tack has historically been investigated from segregated
perspectives utilizing both diverse materials and measurement techniques
eventually resulting in a lack of comparableness and transferability. There is
evidence, however, to suggest that tack is a complex phenomenon that demands
holistic consideration. This thesis therefore explores the involved mechanisms
(surface wetting, contact formation, autohesion), process and environmental
influencing factors (compaction pressure, lay-up speed, ageing, temperature),
material criteria (resin type, B-staging, toughening), measurement effects (probe,
peel testing) and manufacturing implication of prepreg tack in AFP.
Prepreg tack was found to be sensitive to all investigated influencing factors which
could be ascribed to changes in material properties examined by comprehensive
complementary material analysis. The employed measurement techniques were
demonstrated to be suitable for prepreg tack measurement in terms of
reproducibility and the ability to disclose adhesive mechanisms but were partially
limited in terms of AFP process parameter representation. Therefore, the
manufacturing implication of prepreg tack in AFP was assessed by utilizing a semiempirical
process model which was demonstrated to successfully replicate the
characteristic bell-shaped tack curves plotted as a function of prepreg temperature
for different lay-up scenarios. Experimentally founded and model-based
recommendations are furthermore proposed to tailor formulations of
thermoplastic toughened epoxy-based prepreg resins with regard to tackiness. The
presented outcomes of this thesis provide an informed basis for process adjustment
to meet manufacturing demands in terms of prepreg tackiness and therefore reduce
the risk of laminate defects during automated prepreg lay-up.
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