Variotherme Verarbeitung von Epoxidharz zur Zyklusverkürzung im RTM Prozess

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dynamischer, variothermer RTM-Prozess zur gezielten Beeinflussung und Steuerung der Vernetzungsreaktion eines Epoxidharzsystems unter praxisnahen Bedingungen entwickelt, mit dem Ziel, den Produktionszyklus stark zu verkürzen und gleichzeitig hochwertige Formteile mit geforderten Eigenschaften herzustellen.
Als Grundlage für den praktischen Verarbeitungsprozess erfolgte zuerst die systematische Charakterisierung der Vernetzungsreaktion des verwendeten Materialsystems. Hierzu wurde anhand von DSC-Messungen ein reaktionskinetisches Modell, das sowohl eine chemisch- als auch diffusionskontrollierte Reaktion einschließt, zur Beschreibung des Aushärtevorgangs erstellt. Mit diesem Modell können die Umsätze und Glasübergangstemperaturen für beliebige Härtungstemperaturen und -zeiten beschrieben und vorhersagt werden. Ausgehend von diesen materialspezifischen Kenntnissen können für die praktische Verarbeitung, je nach Anwendungsfall und Anforderungen, geeignete Prozessparameter vorgegeben werden.
Zur Validierung der Übertragbarkeit des aufgestellten Reaktionsmodells auf die Praxis wurden im Labormaßstab einfache Epoxidharz-Formteile mit einem variotherm temperierbaren Werkzeug hergestellt. Die analysierten Aushärtezustände der hergestellten Formteile stimmten mit den jeweiligen Vorhersagen gut überein und bestätigten das Modell. Mit variothermer Herstellung bei deutlich höheren Härtungstemperaturen konnte die Aushärtezeit für den gleichen Vernetzungszustand wie bei einem isothermen Referenzprozess um bis zu 90 % reduziert werden. Allerdings besteht eine Abhängigkeit zwischen Formteilquerschnitt, Vernetzungsgrad und den resultierenden Formteileigenschaften.
Weiterhin wurde die Anwendbarkeit des Verfahrens für die industrielle Herstellung von kohlefaserverstärkten Epoxidharz-Formteilen (CFK) mit einem variotherm aus-gelegten RTM-Werkzeug geprüft. Eine wesentliche Herausforderung bestand dabei in der Auslegung und Realisierung der dynamischen und homogenen Temperierung des Werkzeugs mit einer relativ großen Freiformoberfläche. Für die Implementierung einer konturnahen und konturfolgenden fluidischen Temperierung wurde in dieser Arbeit konventionelle Fräsbearbeitung mit einem thermischen Spritzverfahren kombiniert, wodurch ein stabiler und betriebsfester Formeinsatz erzeugt werden konnte. Auch mit einseitiger variothermer Temperierung konnte in den durchgeführten Versuchen eine Verkürzung der Aushärtezeit um bis zu 50 % im Vergleich zum bisher angewandten Prozess erzielt werden.