Tack of Thermoset Impregnated Carbon Fibers (TackTIC) - Charakterisierung und Modellierung von Prepreg-Tack für die automatisierte Fertigung von CFK-Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dieter Meiners
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458900231

Für die Herstellung großflächiger, hochbelastbarer Faserverbund-Strukturbauteile durch automatisierte Legeprozessen wie Automated Fiber Placement (AFP) und Automated Tape Laying (ATL) stellt die Klebrigkeit (Tack) von Prepregs die entscheidende Materialeigenschaft in Hinblick auf eine stabile Prozessführung und die davon abhängige Laminatqualität dar. In der Fertigung beruht die Einstellung des Prepreg-Tacks derzeit vorwiegend auf Erfahrungswissen und heuristischem Vorgehen durch Trial-and-Error, um Legedefekte zu vermeiden, die mechanische Schwachstellen im Bauteil darstellen können. Analog orientiert sich die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Prepreg-Tack an der produktionsnahen Praxis, was sich in einer Forschungskonzentration zum Einfluss direkt im Prozess einstellbarer Parameter anhand ausschließlich kommerzieller Prepregsysteme manifestiert. Dies geschieht in der Regel unter Ausblendung von Umwelteinflüssen und den Eigenschaften des verarbeiteten Materials, sodass bei diesem Vorgehen zugrundeliegende Mechanismen und die komplexen wechselseitigen Abhängigkeiten beim Prepreg-Tack unverstanden bleiben. Ziel des beantragten Projektes ist daher die Generierung eines bisher nicht existenten Grundverständnisses zu Einflüssen und Wirkmechanismen des Tacks von vorimprägnierten Kohlenstofffaser-Halbzeugen und dessen Modellierung. Das zu entwickelnde Materialmodell erlaubt es erstmals, auf Grundlage von chemischer Zusammensetzung und den davon determinierten, materialinhärenten Kennwerten sowie von Prozessparametern und fertigungsrelevanten Umwelteinflüssen eine Abschätzung des sich einstellenden Klebeverhaltens vorzunehmen. Hierzu soll es der Komplexität des Zusammenspiels adhäsiver und kohäsiver Haftungsmechanismen Rechnung tragen, indem chemische, rheologische, reaktionskinetische und strukturelle Eigenschaften des Prepregs bzw. seiner Harzkomponente sowie Aspekte der Grenzflächenausbildung zu unterschiedlichen Kontaktmaterialien berücksichtigt werden.Zum Erreichen des Ziels werden im Rahmen des Vorhabens zunächst zwei Messmethoden zur Quantifizierung des Prepreg-Tacks (Stempeltest (Probe Test) und Schältest (Peel Test)) im Rheometer entwickelt, umgesetzt und vergleichend evaluiert. In umfangreichen Versuchsreihen werden die Methoden für drei Harzformulierungen und ein kommerziell verfügbares Prepregsystem eingesetzt, um den Einfluss prozess- (Temperatur, Kompaktierungskraft und -druck, Geschwindigkeit und Materialpaarung) sowie umweltbedingter Parameter (Materialalter und Feuchtekonditionierung) experimentell bestimmt. Die Ergebnisse fließen zusammen mit durch Alterungs-, Konditionierungs- und Struktur- und chemische Analyse generierten Materialdaten in den zu entwickelnden Modellierungsansatz ein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen