Projekt: Dickwandige Faserverbundbauteile in der Wickeltechnik

Die Faserwickeltechnik ermöglicht die Fertigung von gewichtseffizienten Hohlkörpern. Hierbei werden imprägnierte textile Halbzeuge auf einen sich drehenden Kern gelegt. Das PuK befasst sich damit innerhalb eines DFG-Projektes.

 

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen dickwandige, gewickelte Strukturen aus Glas- und Kohlenstofffasern experimentell untersucht werden, um die gewonnenen Erkenntnisse in ein numerisches Modell zu überführen. Hierbei besteht das Projektziel einerseits darin, die wichtigsten Kenngrößen experimentell zu erfassen und anschließend ihren Einfluss auf den Fertigungsprozess zu untersuchen. Andererseits sollen darauf aufbauen numerische Modelle zur Beschreibung dieser Kenngrößen entwickelt werden. Dies soll zum einen eine Verringerung prozessbedingter Herstellfehler ermöglichen, sowie zum anderen Möglichkeiten schaffen die Auslegung und Fertigung dickwandiger Bauteile prozessgerecht durchzuführen.

Ein besonderer Fokus wird in diesem Zusammenhang auf drei wesentliche Kenngrößen gelegt:
- Die Fadenspannung als Funktion der kontinuierlich ansteigenden Bauteildicke, die durch den Fertigungsprozess bedingt wird.
- Das Temperaturprofil während des Wickelprozesses, sowie während der chemischen Reaktion bis zur vollständigen Aushärtung des gewickelten Bauteils.
- Die damit zusammenhängenden Eigenspannungen und Verzugserscheinungen im gewickelten Bauteil.

Die Anwendungsbereiche der durch den Wickelprozess gefertigten Bauteile sind vielseitig, beispielweise Drucktankapplikationen oder lasttragende Elemente in Windkraftanlagen. Ein Trend zu ansteigenden Wandstärken in diesen und weiteren Anwendungsgebieten ist zu verzeichnen.

In diesem Zusammenhang sind die verschiedenen Teilprobleme bei der Herstellung von gewickelten Strukturen (s. Abbildung 1 ) zu berücksichtigen.
Diese betrachten die Problematik der eigenspannungsinduzierten Delamination als Kombination aus diesen vier unterschiedlichen Teilproblemen. Insbesondere soll Bauteilversagen aufgrund dieser Eigenspannungen bei den dickwandigen Strukturen (s. Abbildung 2) verhindert werden.
Hierzu wird eine vollständige Charakterisierung der Ausgangsmaterialen während des Wickelprozesses durchgeführt. Der Fokus wird insbesondere deren chemo-thermomechanisches Verhalten in Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad, der Anisotropie und der messtechnischen Erfassung der wichtigsten Prozesskenngrößen, wie beispielweise Fadenspannung, Wärmeentwicklung oder Deformation gelegt.

 

Projektleiter: Prof. Gerhard Ziegmann / Prof. Stefan Hartmann
Förderzeitraum: 01.07.2023 – 30.06.2026
Förderstelle: DFG                
Bearbeiter: M.Sc. Silvia Imrich / M.Sc. Christina Steinweller

Die schematische Darstellung einer automatisierten Wickeleinrichtung

Verschiedene Teilprobleme beim Wickelprozess in Anlehnung an [1]

Abbildung 2: Eigenspannungsinduzierte Delamination einer dickwandigen CFK-Struktur. (links: dickwandiges CFK-Laminat, Mitte: Delamination des Laminates, rechts: Detailaufnahme des CFK-Laminates) [2]

[1] Lee, S., Springer, G., Calius, E. (1990). Filament winding cylinders, I-III. Journal of Composite Materials, 24:1270–1367.

[2] Rabearison, N., Jochum, C., Grandidier, J.C. (2011). A cure kinetics, diffusion controlled and temperature dependent, identification of the araldite LY556 epoxy. Journal of Materials Science, 46(3): 787-796.