Analyse der Haltbarkeit von Werkzeugen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen

Werkzeuge aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zur Herstellung von CFK-Bauteilen finden vor allem in der Luftfahrtindustrie Anwendung. Sie weisen gegenüber Werkzeugen aus Metall eine Reihe von Vorteilen auf. Als Nachteil von Werkzeugen aus CFK werden in der Literatur geringe Standzeiten genannt. In dieser Arbeit soll die Frage beantwortet werden, wie die Einsatzgrenzen von CFK-Werkzeugen definiert, prognostiziert und unter der Prämisse eines gleichbleibenden Fertigungsaufwands erweitert werden können. Folgende Kernbereiche, welche die Lebensdauer eines Werkzeuges einschränken, werden ermittelt: die Festigkeit von Kanten, die Alterung des CFK-Laminats und die Prozessbeständigkeit von CFK-Oberflächen.

Ziel des ersten Abschnittes ist es, die Robustheit von Kanten in CFK-Werkzeugen zu bewerten und basierend auf den Ergebnissen Designrichtlinien für widerstandsfähige Kanten abzuleiten. Hierzu wird eine Methode entwickelt, bei welcher über einen zylindrischen Prüfstempel eine Druckbelastung auf die Kante aufgebracht wird, bis diese versagt. Den Ergebnissen zufolge können robuste CFK-Werkzeugkanten erzeugt werden, indem diese möglichst mit Fasern ausgefüllt und hochelastische Harzsysteme lokal eingebracht werden.

Ziel des zweiten Teils der Arbeit ist es, die Alterung von CFK-Werkzeuglaminaten und resultierende Effekte zu bewerten. Dazu werden CFK-Prüfkörper unterschiedlicher Zusammensetzung nach zyklischer thermischer Belastung bei maximal 180 °C bis 1000 Zyklen untersucht. Es werden die Methoden DMA, Drei-Punkt-Biegeversuch, Rissdichtebestimmung und Leckageratenbestimmung verwendet. Auf Grundlage der Ergebnisse können unter anderem epoxidbasierte Laminate bis 150 °C für 500 Zyklen und bismaleimidebasierte Laminate bei 180 °C für 750 Zyklen in CFK-Werkzeugen eingesetzt werden. Auch der Einsatz von Phenoxybinder und Gewebe anstatt Gelege erhöht die thermische Beständigkeit.

Im dritten Teil der Arbeit wird das Ziel verfolgt, die Auswirkungen des Fertigungsprozesses auf die Werkzeugoberfläche zu analysieren. Dazu wird ein automatisierter Prüfstand entwickelt, der die Lasten auf ein Werkzeug während der CFK-Bauteilherstellung nachbildet. Der Zustand der Oberfläche wird nach jedem Zyklus optisch vermessen und bewertet. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass vor allem die manuell durchgeführte Reinigung der Werkzeugoberfläche diese schädigt. Die Entformung des CFK-Bauteils zeigt hingegen keine sichtbaren Auswirkungen.