Zum Einsatz elastischer Walzen und elektromagnetischer Induktion in Doppelbandpressen zur kontinuierlichen Herstellung thermoplastischer Faserverbundlaminate

Die vorliegende Arbeit untersucht den kombinierten Einsatz elektromagnetischer Induktion und elastischer Walzen in einer Doppelbandpresse zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundlaminaten. Es wird gezeigt, dass mit dem entwickelten Anlagenkonzept sowohl die Konsolidierung vorimprägnierter Lagen als auch die Imprägnierung trockener Faserstrukturen mit thermoplastischem Polymer erfolgen kann. Die Untersuchung elastischer Walzen erfolgt anhand numerischer Simulationen auf Basis eines empirisch ermittelten Materialmodells. Eine Parameterstudie zeigt, dass Walzen kleineren Durchmessers mit dicker Beschichtung hinsichtlich Spannungsbelastung, Druckzonenanteil und k-Wert (Quotient aus maximalem und gemittelten Kontaktdruck) die günstigste Konfiguration darstellen. Eine entwickelte Auswahlmethodik bietet die Möglichkeit, bei bekanntem Spannungs-Dehnungsverhalten anhand von vorgegebenen Prozessparametern Druck und Zeit optimierte Walzenkonfigurationen auszuwählen. Weiterhin wird durch vergleichende Versuche zur Temperaturdauerbeständigkeit gezeigt, dass mit speziellen Elastomeren als Walzenbeschichtung die Verarbeitung hochschmelzender Polymere bei Temperaturen von 300°C realisierbar ist. Es wird gezeigt, dass durch elektromagnetische Induktion in Querfeldanordnung die Stahlbänder einer Doppelbandpresse schnell und effizient erwärmt werden können. Dabei wird eine vor der Druckapplikation angeordnete Hauptheizzone sowie intermittierend mit den Druckwalzen angeordnete Haltezonen eingesetzt. Aufgrund der hohen Heizrate ist eine Beulbildung in den Stahlbändern zu beobachten. Geschwindigkeits- und druckabhängig werden Temperaturschwankungen in der Prozesszone gemessen, welche durch Wärmeströme in die temperierten Walzenkerne hervorgerufen werden. Ein entwickeltes thermodynamische Modell zur Beschreibung des zeitlichen Temperaturverlaufs der Doppelbandpresse kann bei der Prozessoptimierung unterstützen. Die Erprobung der Heiz- und Druckmechanismen in einer Doppelbandpresse erfolgt durch die Konsolidierung vorimprägnierter PC-CF Tapes. So erreichte Zugscherfestigkeiten liegen oberhalb derer eines vergleichenden Tapelegeprozesses. Die Imprägnierung von PP-GF Laminaten ist porenfrei möglich. Eine für Walzenspalte charakteristische Knetausbildung kann als mögliche Ursache für die Ausbildung von parabelförmigen Faserverschiebungen identifiziert werden. Planare Matrixströmungen entgegen der Prozessvorschubrichtung über der gesamten Bandbreite werden nachgewiesen.