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Alexander Chaloupka

• Due to their properties of combining high mechanical strength with low density, fiberreinforced plastics have the potential of long-term use as the main material in automotive engineering and aviation. The production of this mixed material provides industry new challenges, especially in the field of load bearing structures. The use of carbon fibers, as reinforcement structures, in particular makes the material cost-consuming. Current curing processes, invisible and critical process steps in the tool, in composite production are set to predefined cycle times and cannot be adapted without considerable effort. Material, temperature and humidity fluctuations cannot be compensated and there is a risk of waste production. Therefore a robust, variable component production, especially in series production with the focus on short cycle times, has to be guaranteed. Over the last decades, many measuring techniques have been used, such as ultrasound, infrared, dielectrics and direct currentDue to their properties of combining high mechanical strength with low density, fiberreinforced plastics have the potential of long-term use as the main material in automotive engineering and aviation. The production of this mixed material provides industry new challenges, especially in the field of load bearing structures. The use of carbon fibers, as reinforcement structures, in particular makes the material cost-consuming. Current curing processes, invisible and critical process steps in the tool, in composite production are set to predefined cycle times and cannot be adapted without considerable effort. Material, temperature and humidity fluctuations cannot be compensated and there is a risk of waste production. Therefore a robust, variable component production, especially in series production with the focus on short cycle times, has to be guaranteed. Over the last decades, many measuring techniques have been used, such as ultrasound, infrared, dielectrics and direct current measurement, to name just a few, and have been evaluated on their potential for real-time process and quality control in the tool. Dielectric analysis is still believed to have the greatest potential over the years. However, the dielectric analysis, as well as the direct current measurement so far, are not able to provide an industrially operational solution for the carbon fiber sector. Either the measurement fails due to the contact of electrically conductive fillers and sensor electrodes, or a separating layer must be introduced between the sensor and the sample, which offers the resin the opportunity to penetrate it, but prevents the fibers from doing so. This release layer is a one-time solution that requires a preparation step before each component, and therefore is not suitable for large series. In this work, a newly developed sensor featuring a permanent temperature, scratch, pressure, and solvent resistant impermeable barrier layer is presented, allowing the characterization of not only pure resins, but also carbon fiber reinforced polymers in the process and to take over the process control without the need for constant preparation effort. It is shown that this sensor can both reproduce the results of dielectric high-precision reference measurements and detect critical points, such as the minimum of the resin viscosity, the gel point, the glass-transition and the cure progress during curing of duromer materials. For this purpose, dielectric-rheological simultaneous measurements, as well as infrared spectroscopic investigations, were carried out and the dielectric results were further compared to reaction kinetic studies with the basis of differential scanning calorimetric measurements.…
• Faserverstärkte Kunststoffe besitzen aufgrund ihrer Eigenschaften, hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte zu vereinen, das Potential langfristig als Hauptwerkstoff im Automobilbau sowie der Luftfahrt zum Einsatz zu kommen. Die Herstellung dieses Mischwerkstoffes stellt die Industrie im Bereich tragender Strukturen immer wieder vor neue Herausforderungen. Gerade die Verwendung von Carbonfasern als Verstärkungselemente machen den Werkstoff derart kostspielig, dass eine robuste Bauteilfertigung gewährleistet werden muss. Die derzeit verwendeten Aushärtezyklen sind auf Basis von Materialuntersuchungen eingestellt und können nicht ohne enormen Aufwand angepasst werden. Material-, Temperatur- und Feuchteschwankungen, die einen Einfluss auf die kritische, aber nicht sichtbare Vernetzungsreaktion im Werkzeug haben, können nicht kompensiert werden. Um eine robuste Bauteilfertigung, bei gleichzeitig kurzen Taktzeiten, in der Serienfertigung von Kohlenstofffaserverbund-Faserverstärkte Kunststoffe besitzen aufgrund ihrer Eigenschaften, hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte zu vereinen, das Potential langfristig als Hauptwerkstoff im Automobilbau sowie der Luftfahrt zum Einsatz zu kommen. Die Herstellung dieses Mischwerkstoffes stellt die Industrie im Bereich tragender Strukturen immer wieder vor neue Herausforderungen. Gerade die Verwendung von Carbonfasern als Verstärkungselemente machen den Werkstoff derart kostspielig, dass eine robuste Bauteilfertigung gewährleistet werden muss. Die derzeit verwendeten Aushärtezyklen sind auf Basis von Materialuntersuchungen eingestellt und können nicht ohne enormen Aufwand angepasst werden. Material-, Temperatur- und Feuchteschwankungen, die einen Einfluss auf die kritische, aber nicht sichtbare Vernetzungsreaktion im Werkzeug haben, können nicht kompensiert werden. Um eine robuste Bauteilfertigung, bei gleichzeitig kurzen Taktzeiten, in der Serienfertigung von Kohlenstofffaserverbund- Bauteilen gewährleisten zu können, ist Sensorik im Werkzeug für die Produktion der Zukunft daher unabdingbar. Über die letzten Jahrzehnte wurden viele Messtechniken, wie Ultraschall, Infrarot, Dielektrik und Gleichstrommessung auf ihr Potential hin überprüft die Prozesssteuerung und Qualitätskontrolle in Echtzeit im Werkzeug zu übernehmen. Der dielektrischen Analyse wird durchweg das größte Potential zugesprochen. Allerdings ist sie, wie auch die Gleichstrommessung, bislang aufgrund ihres Messprinzips nicht dazu in der Lage eine industriell einsatzfähige Lösung für den Carbonfaserbereich zu liefern. Der Kontakt von elektrisch leitfähigen Füllstoffen und Sensorelektroden führt zu einem Kurzschluss. Daher muss eine Trennschicht zwischen Sensor und Probe eingebracht werden, die mit dem Harz getränkt wird, die Fasern jedoch daran hindert auf die Elektroden durchzudringen. Die Schicht ist eine einmalig verwendbare Lösung, die eine zusätzliche, manuelle Präparation vor der Fertigung eines jeden einzelnen Bauteils notwendig macht und daher nicht Großserien geeignet ist. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Sensor präsentiert, der eine permanente temperatur-, kratz-, druck-, und lösemittelbeständige undurchdringbare Trennschicht besitzt und damit ermöglicht nicht nur Reinharze, sondern auch carbonfaserverstärkte Polymere im Prozess zu charakterisieren und die Prozesssteuerung zu übernehmen, ohne an einen ständigen Präparationsaufwand gebunden zu sein. Es wird gezeigt, dass dieser Sensor die Resultate dielektrischer hoch-präziser Referenzmessungen abbilden kann und darüber hinaus dazu in der Lage ist kritische Punkte wie das Minimum der Harzviskosität, den Gel-Punkt, den Glasübergangsverlauf sowie den Vernetzungsfortschritt während des Aushärtens duromerer Werkstoffe im Prozess zu charakterisieren. Hierzu wurden dielektrisch-rheologische Simultanmessungen sowie infrarotspektroskopische Untersuchungen durchgeführt und die dielektrischen Resultate mit reaktionskinetischen Studien auf der Basis differenzkalorimetrischer Messungen abgeglichen.…