Studentische Arbeiten

Für die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe ist die Faserlänge von immenser Bedeutung. Es wurde zwar bereits der Einfluss einer großen Anzahl von Faktoren, wie z.B. Prozessparameter oder Schneckenabmessungen untersucht, jedoch blieb eine Betrachtung des Einflusses der Viskosität des Matrixmaterials bisher aus. Ziel dieser Arbeit war es, eben diesen Einfluss auf die resultierende Faserlänge von Kohlenstofffasern nach dem Extrudieren und dem Spritzgießen zu erforschen und in eine allgemeingültige Aussage zu überführen. Hierfür wurde zunächst das Granulat durch Compoundierung am gleichläufigen Doppelschneckenextruder hergestellt und später durch Spritzgießen weiterverarbeitet. Nach jedem Verarbeitungsschritt wurden Proben entnommen und die vorliegenden Faserlängen mittels Mikroskopbetrachtung nach einer Kalzinierung des Verbundes ermittelt. Diese Vorgehensweise wurde für zwei verschiedene Matrixwerkstoffe mit unterschiedlicher Viskosität durchgeführt, wobei pro Matrixwerkstoff Granulat und später Spritzgießteile mit einem Faservolumengehalt von 10%, 20% und 27% hergestellt wurden, um die Existenz eines möglichen Zusammenhangs von Viskosität und Fasergehalt zu überprüfen. Des Weiteren wurden die mittels Spritzgießen hergestellten Prüfkörper einem Zugversuch unterzogen, um deren mechanischen Eigenschaften zu prüfen und die gemessenen Faserlängen zu untermauern.

Kunststoffe werden durch freie Bewitterung stark beeinflusst und müssen mit entsprechenden Additiven auf ihre Anforderungsbereiche angepasst werden. Für die Anwendung an Elektronikgehäusen müssen zusätzliche Anforderungen erfüllt sein. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Polycarbonat und Polypropylen als einsetzbare Vertreter der thermoplastischen Grundwerkstoffe. Die Grundlagen der Bewitterung, insbesondere der solaren Strahlung und dessen Einfluss auf Kunststoffe wurden ausgearbeitet und vorrangig auf passive Kühlmöglichkeiten untersucht. Der Einfluss verschiedener Farben und natürlicher als auch erzwungener Konvektion wurden experimentell geprüft. Durch künstliche Bewitterung der Farbproben wird das farbabhängigen Alterungsverhalten analysiert mit dem Aufheizverhalten verglichen.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Werkstoffkombination für Anwendungen im Fahrzeugexterieur zu identifizieren und zu validieren, die im Vergleich zu den etablierten CFK-Exterieurbauteilen eine deutlich verbesserte CO₂-Bilanz aufweisen. Im Rahmen der Arbeit wurden zwei Designausprägungen als Hauptrichtungen untersucht: Einerseits der Erhalt der etablierten 2/2 3K Köperoptik, andererseits die Definition zielführender neuartiger Optiken durch die Verwendung neuer Faserverbundstoffe. Eine Werkstoffauswahl sowie eine CO₂-Bilanz und die anschließende Qualifizierung für den Exterieurbereich standen im Fokus der Untersuchung. Eine Recherche zu den Faserarten wurde durchgeführte, dabei wurde mit einer Bewertungsmatrix die Flachsfaser als Zielführend definiert. Für die Flachsfaser wurde eine CO₂-Bilanz erstellt und ein Vergleich zu anderen Faserwerkstoffen wurde gezogen. Eine Senkung des ökologischen Fußabdrucks durch die Substitution von Kohlenstoff- durch Flachsfaser konnte für nicht-strukturelle Exterieurbauteile aufgezeigt werden. Die Feuchtigkeitsaufnahme von flachsfaserverstärkten Kunststoffbauteilen, die im Prepreg Autoklavverfahren hergestellt wurden, wurde im Kondenzwasserkonstantklimatest geprüft. Eine Aufnahme von Feuchtigkeit konnte festgestellt werden. Durch das Auftragen einer geeigneten Kantenversiegelung konnte die Wasseraufnahme reduziert werden. Im Klimawechseltest wurden die Formtreue und Passgenauigkeit so wie die Oberflächenbeschaffenheit nach thermischen Belastungen geprüft. Teile, die im Resin Transfer Moulding (RTM) Verfahren hergestellt wurden, weisen eine höhere Resistenz gegenüber den Belastungen des Klimawechseltests auf im Vergleich zu den Prepregautoklav Bauteilen. Die Bauteiloberfläche zeigt kein Setzen des Klarlacks oder des Harzes, was die Abzeichnung der Faserstruktur zur Folge hätte. Im Autoklavprozess hergestellte Komponenten weisen nach dem Testzyklus eine deutliche Abzeichnung der Gewebestruktur auf. Die Eignung von reinem naturfaserverstärkten Kunststoff (NFK) und der Hybridvariante als Frontaufsatz in Hinblick auf den Fußgängerschutz konnte nachgewiesen werden. Die Arbeit konzentrierte sich mit der Qualifikation des Werkstoffes Flachs auf die Verbesserung der Nachhaltigkeit für Exterieurbauteile und zeigte auf, dass erhebliche Senkungen der Treibhausgasemissionen möglich sind. Die vollständige Substitution der Kohlenstofffaser erfordert weitere Optimierungen und Tests.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Wickeldrahtisolationssysteme im Bezug zur Medienbeständigkeit untersucht. Dafür wurden Wickellocken zur Hälfte in organischen Säuren, Basen, VE-Wasser, Ölen, sowie Gemischen daraus ausgelagert. Im Anschluss wurden die Proben durch Bleistifthärtemessungen, Schliffe und Isolationswiderstandsmessungen auf Rissbildung und Alterung untersucht. Reine organische Säuren, VE-Wasser, Öle und niedrig konzentrierte Basen zeigten keine Rissbildung. Hier war ein zeitabhängiger hydrolytischer Angriff an der Isolation feststellbar. Nur durch einen hohen Alkalienanteil kam es zur schneller Rissbildung und einem Ausfall der isolierenden Eigenschaften der Kunststoffe. Anhand des Isolationssystems aus Polyesterimid als Grundschicht und Polyamidimid als Deckschicht wurde der Einfluss von Konzentration von Natronlauge, Temperatur und mechanischer Belastung analysiert. Hier zeigte sich, dass die Risse erst ab einer Konzentration an Natronlauge von 0,5 % Risse zu finden waren. Die Rissentstehungsdauer folgte bei höheren Konzentrationen einer umgekehrten Proportionalität. Der Temperatureinfluss auf die Rissbildungsdauer folgt bei Temperaturen über 60 ˚C einer linearen Funktion, darunter konnte eine Halbierung der Beständigkeitsdauer bei Temperaturerhöhung um 10 K festgestellt werden. Weiterhin ergab sich, dass der Bereich zwischen 5 % und 15 % Dehnung am kritischsten gegenüber der Rissbildung zu sehen ist. Zur Rissentstehung selbst konnten zwei Hypothesen formuliert werden. Am wahrscheinlichsten ist eine spannungsinduzierte Rissbildung im Polyamidimid, jedoch könnte es auch im Polyesterimid durch Versprödung zur Rissbildung kommen oder ein Mischangriff vorliegen. Beim Vergleich verschiedener Isolationssysteme konnte festgestellt werden, dass die Beständigkeit durch die Verwendung von reinen PAI-Drähten erhöht werden kann. Nur die mit PEEK isolierten Drähten hielten allen Belastungen ohne Verlust der Isolationseigenschaften stand.

Neben Herstellungsfehlern wie Fremdkörpereinschlüssen oder Unregelmäßigkeiten in der Faserorientierung sind Porositäten der am häufigsten auftretende prozessbedingte Bauteilfehler bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen. Sie haben einen wesentlichen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils. So verringern sich beispielsweise mit zunehmendem Porenvolumengehalt die Druckfestigkeit und die interlaminare Scherfestigkeit des Faserverbunds. Es existieren zulässige Grenzwerte, in denen sich der Porenvolumengehalt je nach Anwendungsgebiet befinden darf. Dieser Lösungsansatz widerspricht jedoch dem Bestre-ben der Leichtbauphilosophie, nach dem das Potential eines Werkstoffs bestmöglich genutzt werden soll. Mittels geeigneter Prozessvariationen kann auf die Porengeometrie sowie deren Bewegungsverhalten Einfluss genommen werden. Jedoch führen solche Maßnahmen zu einem signifikanten Anstieg der Prozesskosten und beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens wesentlich. Diese Arbeit befasst sich mit drei Lösungsansätzen zur Reduzierung des Fehlstellen-gehalts in Faserverbundbauteilen und beurteilt diese hinsichtlich energetischer und wirtschaftlicher Kriterien. Untersucht wurde der Einfluss von nachgelagerten Prozessschritten, wie Nachdruck, einer Erhöhung der Werkzeugkompression und eines Spülvorganges auf das Verhalten von Poren. In verschiedenen Versuchsreihen wurden schrittweise Variationen der Prozessparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf den Fehlstellengehalt untersucht. Die Auswertung der Versuchsreihen erfolgte über optische und physikalische Methoden. Nach der optischen Beurteilung der hergestellten Bauteile mittels Digitalmikroskop und der Auswertung von Mikroskopaufnahmen anhand von Histogrammen wurde eine Veraschung zur Bestimmung des Porengehalts der Probekörper durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass ein definierter und konstanter Nachdruck von 3 bar den Fehlstellengehalt in Glasfaserverbunden erheblich reduziert. Bei Nachdruckstufen oberhalb von 3 bar zeigt sich jedoch wieder ein erhöhter Fehlstellengehalt. Mittels der durchgeführten Versuche zu einer erhöhten Werkzeugkompression und Spülvorgängen konnte kein verbessertes Fehlstellenbild erzeugt werden.