Direktbestromung von Kohlenstofffasern zur Minimierung von Zykluszeit und Energieaufwand bei der Herstellung von Karbonbauteilen

Die Nachfrage an Leichtbauteilen aus Kohlenstofffaserverbund mit dem Fokus auf Energieeinsparung ist in den vergangenen Jahren stark angestiegen. Die Herstellung derartiger Bauteile ist gegenwärtig jedoch noch sehr zeit-, kosten- und energieintensiv. Die Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern des herzustellenden Bauteils zur direkten Erwärmung durch Joulesche Wärme zeigt diesbezüglich einen vielversprechenden Lösungsansatz. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit Aufheizversuche durch direkte Stromeinleitung durchgeführt, wobei der Strom sowohl in Kohlenstofftrockenfasern geleitet wurde als auch in Faserhalbzeuge, die in thermoplastischer Matrix eingebettet waren. Das Ziel dabei war, erste Erkenntnisse über das sich einstellende Erwärmungsverhalten zu gewinnen. Es konnte eine homogene Aufheizung in Dicken- und Breitenrichtung sowie eine wesentliche Aufheizratensteigerung bei gleichzeitiger Reduktion des benötigten Energieaufwandes beobachtet werden. Darauf aufbauend wurde eine Stromeinleitungssteuerung erarbeitet und erprobt, mit der es möglich ist, sehr variabel asymmetrische Faserlagenaufbauten homogen oder definiert partiell zu erwärmen. Zudem konnte gezeigt werden, dass über den eingeleiteten Strom in Kombination zur gemessenen Spannung Rückschlüsse auf die aktuelle Temperatur der Kohlenstofffasern sowie des Erweichungszustandes der Matrix bei Organoblechen getroffen werden können. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in industrialisierbare Fertigungskonzepte zur effizienten Erwärmung für das automatisierte Preforming, der Umformung von Organoblechen sowie dem RTM-Fertigungsprozess überführt. Deren Funktionalität wurde im Anschluss anhand entsprechender Versuchsaufbauten getestet. Es konnte gezeigt werden, dass es mit dem gewählten Ansatz möglich ist, den thermoplastischen Anteil eines Kohlenstoffhalbzeuges bereits während des Transportes zügig und homogen zu erwärmen. Die Potenziale eines selbst entwickelten Fertigungskonzeptes, das auf Injektionsformschalen mit integrierten Elektroden zur direkten Stromeinleitung in den Faserpreform basiert, konnten durch Versuche deutlich herausgestellt werden. Mit einer derartig revolutionären Werkzeugkonzeptionierung ist erstmals eine variotherme Prozessführung unter ökonomischen sowie ökologischen Gesichtspunkten für ein Injektionsverfahren anwendbar. Die Herstellungszeit sowie der notwendige Energiebedarf von derart gefertigten Bauteilen kann so drastisch verringert werden. Im Anschluss an die Untersuchungen wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt, welche die entwickelten Fertigungskonzepte den etablierten Verfahren bzgl. Zykluszeit, Energiebedarf sowie Investitionshöhe gegenüberstellt. Das Einsparungspotenzial der neuen Fertigungskonzepte mit direkter Stromeinleitung ist hinsichtlich Herstellungskosten (Ersparnis von 70 %), Zykluszeit (Ersparnis von 72 %) und Energie (Ersparnis von 97 %) als außerordentlich hoch einzuordnen.The demand for lightweight components of carbon composites with the focus on saving energy has risen strongly in the past years. The production of appropriate components is still highly time-consuming, cost- and energy-intensive. Utilizing electrical conductivity of carbon composites of the component in production, being effected by caloric energy, shows hereof a solution to equalize the deficiencies. In this thesis heating attempts at dry fibers and in thermoplastic matrix of embedded fiber semi-finished material were accomplished in order to extract first realizations of the adjusting warming up behavior. A homogeneous heating in thickness and width direction as well as a substantial heating rate increase could be observed by simultaneous reduction of necessary energy expenditure. In addition a current control unit was compiled and established which permitted homogeneous or defined partially heating up of complex or asymmetrical fiber layups. Furthermore, it was proofed that the adjusted amperage in combination with measured voltage of thermoplastic matrix reinforced carbon fiber semi-finished material conclusions on its softening condition can be determined. Conclusion of the efficient warming up strategy were transferred to new adjusted manufacturing concepts for automated preforming as well as to the forming production of thermoplastic CFRP and to the RTM manufacturing process having its functionality practically demonstrated on experimental setups. Evidence was successfully proofed that the chosen concept is able to quickly and homogenously warm up the thermoplastic part of a fiber composite, during transport. For the resin injection process insulating injection cast shells with integrated copper contacts were developed to clearly perform using this prototype in the experiment. On this account, it is possible for the first time to realize an economic and an ecological variothermic process with production time and required energy expenditure by RTM components being drastically reduced. Based on the described investigations, an economic analysis was accomplished to measure the developed manufacturing concepts in comparison to the established procedures concerning cycle time, power requirement as well as financial investment. The saving potential of the new manufacturing concepts with direct current introduction regarding manufacturing costs (saving 70 %), cycle time (saving 72 %) and energy (saving 97 %) can be determined as extraordinarily high