Experimentelle und numerische Untersuchung des Abkühlverhaltens thermoplastischer Gelegelaminate in der Prozesskette

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe haben aufgrund ihrer herausragenden gewichtsspezifischen Eigenschaften ein großes Potential das Fahrzeuggewicht zu senken und damit CO$_{2}$-Emissionen zu reduzieren. Allerdings stellt nach wie vor die großserientechnische Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen eine Herausforderung dar. Problematisch ist dabei insbesondere das fehlende, methodische Wissen über das Abkühlverhalten der Halbzeuge im Prozess. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik zur Vorhersage und Optimierung der Temperaturführung entlang der gesamten Prozesskette entwickelt. Dabei werden glasfaserverstärkte, thermoplastische Gelegelaminate aus Polypropylen und Polyamid 6, sowie kohlenstofffaserverstärkte Gelegelaminate aus Polyamid 6 betrachtet. Zunächst wird das thermische Verhalten innerhalb der einzelnen Teilprozesse (Aufheizen, Transfer, Übergabe an Werkzeug, Umformung und Hinterspritzen) experimentell untersucht. Zusätzlich wird eine Simulationsmethodik (1D- und 3D-Ansatz) zur Vorhersage der Temperaturverteilung innerhalb der Teilprozesse entwickelt und anhand von Experimenten validiert. Dabei zeigt sich eine hohe Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Temperaturverläufen. Um die gesamte Prozesskette abzubilden, werden die Simulationsmodelle der jeweiligen Teilprozesse sequenziell zu einem Gesamtprozess verknüpft. Es werden dabei Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung sowie die nicht-isotherme Kristallisationskinetik berücksichtigt. Zur Simulation der Kristallisation werden verschiedene Modelle implementiert und anhand von Standard-DSC und Flash-DSC-Analysen validiert. Mit Hilfe eines modifizierten Nakamura-Ziabicki-Ansatzes wird eine hohe Prognosegüte im gesamten Abkühlratenbereich (0,5 $\frac{K}{s}$ - 400 $\frac{K}{s}$) erzielt. Insbesondere die, für die Formulierung einer Prozessgrenze relevante, Kristallisationsstarttemperatur kann sehr genau vorhergesagt werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird der Aufheizvorgang auf der Laminatoberfläche beim Hinterspritzen betrachtet. Auch in diesem Fall wird mit der entwickelten Methodik eine hohe Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation erzielt. Die Korrelation zwischen Temperaturverteilung und Verbundfestigkeit wird anschließend experimentell und numerisch anhand einer generischen Rippengeometrie untersucht. Es zeigt sich, dass die Grenzflächentemperatur einen kritischen Einfluss auf den Verbund hat. Anhand der Ergebnisse werden thermische Prozessgrenzen zur optimalen Verbundfestigkeit beim Hinterspritzen von Laminaten formuliert: Zur Gewährleistung einer optimalen Verbundfestigkeit darf die Grenzfläche nicht bis unterhalb der Kristallisationsstarttemperatur abkühlen. Es sei denn die Grenzflächentemperatur wird beim Hinterspritzen so sehr erhöht, dass die Matrix den Schmelzbereich erreicht. Als Ergebnis der Arbeit wird damit eine Methodik präsentiert, mit der sowohl die Temperaturverteilung im Gesamtprozess zuverlässig vorhergesagt, als auch eine Aussage über die Prozessgrenzen getroffen werden kann. Durch Sensitivitätsstudien werden die wichtigsten Einflussparameter auf das Abkühlverhalten und auf die für die Verbundfestigkeit wichtige Grenzflächentemperatur ermittelt. Die Laminatdicke zeigt dabei den größten Effekt. Zuletzt wird die Methodik als Praxisbeispiel auf Bauteil-Ebene angewendet. Dies erfolgt durch Betrachtung einer komplexen Prozesskette zur Herstellung eines Lower Bumper Stiffeners (untere Stoßfängerabdeckung)