In der Automobilindustrie stellt Leichtbau eine Schlüsseltechnologie dar. Durch ein geringes Fahrzeuggewicht kann Energie eingespart, die Fahrdynamik verbessert, bei Verbrennerfahrzeugen der CO2-Ausstoß reduziert und bei Elektrofahrzeugen die Masse der Batterie ausgeglichen werden. FVK-Sandwichstrukturen bieten ein hohes Gewichteinsparungspotential. Hiermit ist es möglich, das Gewicht von Karosseriebauteilen stark zu reduzieren. In der Luft- und Raumfahrt sind FVK-Sandwichstrukturen bereits weit verbreitet. Um lokale Lasten aufnehmen zu können, werden sogenannte Inserts verwendet, welche die Kräfte großflächig in die Struktur einleiten. Die dort angewendeten Einbringungs- und Auslegungsverfahren sind für kleine Stückzahlen optimiert. Für eine automobile Großserienfertigung von FVK-Sandwichbauteilen eignet sich der „Resin Transfer Moulding“-Prozess (RTM-Prozess). Hierfür ist aktuell kein geeignetes Insert-Konzept bekannt. Im Rahmen der Arbeit wird daher ein Insert-Konzept erarbeitet, welches kostengünstig und schnell in RTM-Bauteile eingebracht werden kann und gleichzeitig eine hohe mechanische Belastbarkeit bei geringem Gewicht ermöglicht.
Aktualisiert: 2020-07-30
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Bypasssituationen im RTM Prozess führen in der Produktion oft zu Porenbildung. In dieser Arbeit wird ein Weg zur Abbildung dieses Effekts in der Simulation untersucht. Ausgehend davon werden verschiedene Szenarien für Harzein- und Auslass auf ihre Eigenschaft zur vollständigen Füllung charakterisiert und allgemeine Regeln zur Gestaltung von Werkzeugen abgeleitet. Zusätzlich wird der Hybridmatrixansatz, bei dem der Bypass über eine Sekundärmatrix in einem vorgeschalteten Injektionsschritt verschlossen wird, zum Erreichen eines definierten Füllprozesses vorgestellt.
Aktualisiert: 2019-12-27
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In the present thesis a dynamic and variothermal RTM process has been established that, under application-oriented conditions, accomplishes the manipulation and regulation of the crosslinking reaction in an epoxy resin system. This development is motivated by the need to shorten production cycles in industry whilst ensuring at the same time the quality and conformity of the manufactured moulded parts.
In order to analyse the practical moulding process a systematic characterisation of the crosslinking reaction of the underlying material system is carried out in the first instance. For this purpose, based on a set of DSC measurements, a reaction kinetic model for the description of the curing process is derived that incorporates both, chemical and diffusion controlled parts of the reaction. By means of this model, conversion rates and glass transition temperatures can be described and predicted for arbitrary curing temperatures and times which in a further step allow, according to application and requirements, the appropriate tuning of process parameters in a practical manufacturing operation.
For validation purposes and in order to constrain the practical relevance of the derived reaction model, simple epoxy resin parts have been manufactured at a laboratory scale by a variothermal mould. The analysed curing states of the resulting parts perfectly fit into the model, thus providing verification. Via variothermal moulding at distinctly high curing temperatures the curing time to reach a defined degree of crosslinking could be significantly reduced, up to 90 %, in comparison to an isothermal reference process. However correlations among the cross-section of the mould, the degree of crosslinking, and the resulting part properties should be taken into account.
Furthermore the applicability of this procedure for industrial production of carbon fiber reinforced epoxy resin moldings (CFRP) was tested by using a variothermal RTM tool. An essential challenge was posed by the reasonable adjustment and realization of a dynamic and homogenous temperature control of the tool with a relatively large freeform surface. In order to implement a close-to-contour and contour-following fluidic temperature control, the present investigation combines conventional milling operations with thermal spraying process, thus leading to a stable and operationally reliable mould insert. Even by use of one-sided variothermal heating the conducted experiments reveal a shortening of curing time up to 50 % in comparison to the conventional process.
Aktualisiert: 2022-09-30
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Aufgrund ihres Leichtbaupotentials sind Hochleistungsfaserverbunde ein stark wachsender
Markt. Heute ist je nach Anforderungsprofil der Einsatz einer Vielzahl an
Harzsystemen in der industriellen Anwendung üblich. Für eine weitere Verbreitung
müssen allerdings die Kosten reduziert werden und damit sowohl das Potential dieser
anisotropen Werkstoffe durch ein belastungsgerechtes Design optimal ausgeschöpft,
als auch der Qualifizierungsaufwand reduziert werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch den Ansatz eines modular aufgebauten Epoxidharzsystems
einen Beitrag zu leisten und auf Basis eines Referenzsystems das Potential
unterschiedlicher Ansätze bezüglich der Wirkungsweise von Formulierungsbestandteilen
zur Beschleunigung, zu internen Trennmitteln, zur Zähmodifizierung
und zum Flammschutz bzw. deren Kombinationen aufzuzeigen.
Dazu wurden neuartige und kommerziell nicht verfügbare Epoxidharzformulierungen
dargestellt, die Rezepturen entsprechend systematisch variiert und Zusammenhänge
zwischen der Struktur der eingesetzten Formulierungskomponenten, den Verarbeitungsparametern
und den Materialeigenschaften erarbeitet.
So lässt sich durch eine geeignete Kombination aus Beschleuniger, -konzentration
und Werkzeugtemperatur die offene Zeit je nach Bauteil anpassen ohne die Basischemikalien
des Systems zu verändern.
Es wurde ein Prüfstand aufgebaut, der es erlaubt interne Trennmittel vergleichend zu
untersuchen und ein gut funktionierendes Trennmittel wurde indentifiziert.
Aus unterschiedlichen Ansätzen zur Zähmodifikation des Injektionssystems zeigten
Kern-Schale-Teilchen und Dendrimere die effektivste Steigerung der Zähigkeit.
Bei den Formulierungen zum Flammschutz ergibt sich vor allem eine Korrelation zwischen
der Additivkonzentration und der Netzwerkdichte. Eine Verbesserung bzgl. der
Entflammbarkeit konnte nachgewiesen werden, allerdings liegen die Rezepturen an
der Grenze einer industriellen Verarbeitbarkeit. Mit flüssigen Flammschutzmitteln
wurde ein nachvernetzender Effekt gefunden, der zu einer Steigerung der Glasübergangstemperatur
führt.
Mit Formulierungen, die eine Kombination aus Flammschutzmittel und Zähmodifikation
enthalten, lassen sich zwar gute mechanische Eigenschaften darstellen, eine industrielle
Verarbeitung in LCM-Prozessen ist jedoch nicht denkbar.
Diese Arbeit zeigt, dass sich bei geeigneter Formulierung auf einer chemischen Basis
maßgeschneidert unterschiedliche Eigenschaften einstellen lassen.
Aktualisiert: 2021-08-24
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In der Luftfahrtindustrie sind Gewichtseinsparungen aus ökonomischen und ökologischen Gründen von zentraler Bedeutung. Die Gruppe der Faserverbundwerkstoffe ermöglicht die Umsetzung eines konsequenten Leichtbaus. Durch den Einsatz von Kohlenstofffasern, die eine hohe gewichtsbezogene Festigkeit und Steifigkeit aufweisen, kann das Gewicht von konventionellen metallischen Strukturbauteilen um bis zu 30 % reduziert werden. Um die Vorteile der Faserverbundwerkstoffe gegenüber den Metallen vollständig ausnutzen zu können, muss ein Bauteil faserverbundgerecht gestaltet, und die Fasern lokal entlang der Hauptspannungsrichtungen orientiert werden. Innovative Textil- und Injektions-/Infusionstechnologien erlauben eine industrielle, faserverbundgerechte Fertigung von CFK-Hochleistungsstrukturen. Zum Erreichen der Kosten- und der Gewichtsziele ist eine automatisierte Prozesskette unumgänglich.
Im Rahmen dieser Arbeit werden nasstechnologische Fertigungsweisen für eine Massenproduktion von rahmenförmigen CFK-Strukturbauteilen untersucht. Dabei wird eine automatisierte Prozesskette für faserverstärkte Kunststoffe am Beispiel eines CFK-Fensterrahmens für ein Passagierflugzeug entwickelt. Im Mittelpunkt steht ein industrielles Fertigungsverfahren für komplexe Preforms. Das hierbei entwickelte "`Wickel-Drapier-Verfahren"' ermöglicht die Herstellung von Sub-Preforms aus ebenen vorkonfektionierten Halbzeugen, die nach einem Wickelprozess gleichförmig umdrapiert werden. In einem Kompaktierungsschritt werden die Sub-Preforms unter Einsatz eines Binders montiert und vorkompaktiert, um anschließend in einem automatisierten RTM-Prozess mit Harz infiltriert und ausgehärtet zu werden. Für die einzelnen Prozessschritte werden Automatisierungsmöglichkeiten aufgezeigt und grundsätzliche Kostenbetrachtungen vorgenommen.
Generally weight savings are of great importance meeting economical and ecological targets for the aviation business. Fibre-reinforced composites have a key function in aeronautical lightweight structures. Using carbon fibres with high strength and modulus a weight reduction compared to metallic structures of 30 % is feasible. To reach the best material properties the design of the part needs to be optimised for composites by orientating the fibres locally in direction of the main stress tensors. Innovative textile and resin injection/infusion technologies allow an industrial, fibre optimised production process of highly loaded fibre reinforced plastic structures. To meet the cost and weight targets an automated production process is necessary.
This thesis deals with preform and injection processes for a mass production of frame shaped carbon fibre reinforced plastic (CFRP) parts. An automated production chain for fibre reinforced parts is developed looking for a solution to produce a CFRP window frame for a passenger aircraft. The paper is focussed on an industrial production for complex preforms. A new production method, the "`wind-drape-process"', is explained. The process inputs textile semi-finished products strips into a winding procedure. The wound preform is draped homogeneously into net-shape in a second step. Sub-preforms are inserted in a compaction tool to assemble them with binder technology. Thus a pre-compacted preform can be easily inserted in an injection mould. Afterwards the preform is infiltrated by resin in an automated RTM process and cured. Possibilities for process automation and cost issues are highlighted for single process steps.
Aktualisiert: 2022-12-21
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Grundlagencharakterisierungen, Verfahrensentwicklung und Prozessoptimierung für das automatisierte Preforming komplexer Faserverbundstrukturen bei hohem Qualitätsanspruch.
Aktualisiert: 2021-12-01
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Im Rahmen dieser Arbeit wurden Verbundwerkstoffe mit polymerer Matrix betrachtet, die durch modifizierte Fertigungsstrategien des konventionellen Resin Transfer Molding (RTM)-Verfahrens hergestellt wurden. Eine Prozessbewertung erfolgte durch die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften sowie einer analytischen Modellierung.
Aktualisiert: 2021-02-11
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