Studies about the consolidation behavior of hybrid bicomponent fiber preforms

Abstract

Kontinuierliche faserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer Vorteile gegenüber Duroplasten, insbesondere ihres Potenzials für kurze Produktionszeiten, an Interesse gewonnen. Jedoch, die hohe Viskosität der thermoplastischen Polymers erschwert die Imprägnierung von kontinuierlichen Verstärkungsfasern. Um dieses Problem zu bewältigen, hat das Labor für Composite Materials and Adaptive Structures an der ETH eine neuartige Klasse von Hybridvorformen für die Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffen - die sogenannten hybriden Bikomponentenfasern - entwickelt. Diese bestehen aus kontinuierlichen Verstärkungsfasern, welche einzeln mit einem thermoplastischen Polymer umhüllt sind. Aufgrund der reduzierten Fließlängen und der vollständigen Benetzung der Fasern ist zu erwarten, dass diese neuartige Klasse von flexiblen thermoplastischen Verbundwerkstoffvorformlinge in kurzer Zeit verarbeitet werden kann, und somit die Großserienfertigung von geometrisch komplexen thermoplastischen Verbundteilen beschleunigt. In diesem Projekt wird untersucht, ob die Bikomponentenfasern bestehend aus einem Glaskern und einer Polycarbonatummantelung in kurzer Zeit mit ausreichender guter Laminatqualität verarbeitet werden können. Dazu werden Bikomponentenfasernvorformlinge durch schnelle Stempelumformung verarbeitet, um die minimale Zykluszeit, den minimalen Hohlraumgehalt und die minimale Zykluszeit für einen ausreichend kleinen Hohlraumgehalt zu finden. Die Ergebnisse zeigen, dass dünne Laminate (ca. 1 mm) aus Bikomponentenfasern in sehr kurzer Zeit, nämlich 10 s, verarbeitet werden können und gleichzeitig eine ausgezeichnete Qualität des resultierenden Laminats erreicht wird. Der Hohlraumgehalt der resultierenden Laminate liegt unter 0,4 vol%. Die Mikroskopbilder von polierten Proben zeigen jedoch, dass die Faser-Matrix-Ablösungen ein kritischer Aspekt bei der Entwicklung eines Stempelformzyklus für BCF ist. Es wurde festgestellt, dass das Formmaterial einen großen Einfluss auf die Konsolidationsqualität hinsichtlich Mikrorissen hat. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Parameter der schnellen Stempelumformung auf den Hohlraumgehalt untersucht.

Continuous fiber-reinforced thermoplastic composites have gained interest in the last years due to their advantages over thermosets, especially their potential for short production times. However, the inherently high viscosity of thermoplastic polymers makes the impregnation of continuous reinforcing fibers difficult. To overcome this problem, the Laboratory of Composite Materials and Adaptive Structures at ETH has developed a novel class of hybrid preforms for the production of fiber-reinforced thermoplastic composites, the so-called hybrid bicomponent fibers. They consist of continuous reinforcement fibers individually sheathed in a thermoplastic polymer. Due to the reduced flow lengths and the full wet-out of the fibers, it is expected that this novel class of flexible thermoplastic composite preforms can be processed in short times, and thus expedite the high volume production of geometrically complex thermoplastic composite parts. This project investigates whether bicomponent fibers consisting of a glass core and a polycarbonate cladding can be processed in short times while achieving good laminate quality. For this, bicomponent fiber preforms are processed by rapid stamp forming aiming at finding the minimum cycle time, the minimum void content and the minimum cycle time for a sufficiently small void content. The results show that thin laminates (ca. 1 mm) of bicomponent fibers can be processed in very short times, namely 10 s, while achieving an excellent quality of the resulting laminate. The void content of the resulting laminates is lower than 0.4 vol%. However, micrographs of polished specimens reveal that fiber-matrix debonding is a critical aspect when designing a stamp forming cycle for BCF. The mold material has been found to have a great effect on the consolidation quality regarding microcracks. Furthermore, the influence of the stamp forming parameters on the void content have been investigated.