Verbundwerkstoffe sind Materialien, die aus zwei oder mehreren verschiedenen Komponenten bestehen, die im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien ihre Eigenschaften und Struktur synchron gestalten können. Kurzschnittfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (SFRC) werden in den Bereichen Automobil, Bau und Luft- und Raumfahrt weit verbreitet und bieten Vorteile wie niedrige Herstellungskosten, hohe Schlagfestigkeit, leichtes Gewicht, hohe Steifigkeit und Festigkeit. Aufgrund der komplexen Auswirkungen der Faserorientierung, des Fertigungsprozesses und der Mikrostruktur des Materials ist die Vorhersage ihrer mechanischen Eigenschaften jedoch immer noch eine Herausforderung.

Die Studie wurde gemeinsam von Thermo Fisher Scientific, Synopsys, 3Dmagination, Waygate Technologies und dem Institute for Polymer Engineering der Nordwesten Schweizer Universität für angewandte Wissenschaften durchgeführt. Durch Microcomputer Tomography (microCT) und dreidimensionale Bildanalyse, mechanische Tests und numerische Modellierung hat das Forscherteam das recycelte Kortkohlenfaserverstärkte Polyamid-11-Verbundmaterial (rCF-PA11) systematisch charakterisiert und sein Potenzial in der nachhaltigen Fertigung erforscht.

01. Probenvorbereitung

Die Studie nutzte recycelte Kohlefaser T700 mit biobasiertem Polyamid 11 (PA11) als Matrix, wobei der Herstellungsprozess umfasste:

1. T700 Kohlefaserlösungsmittelabbau (Solvolysis), Fasergrößerung (Resizing)

Mischung mit PA11 (15 Gew.-%)

3. Extrudierte Draht- und 3D-Druckformung

Abbildung 1: Abbildung des Herstellungsprozesses für regenerierte Kohlefasern

Drucken mit der Additive Fusion Technology (AFT) von 9T Labs, die kontinuierlichen Lagerdruck mit Hochdruckfusion kombiniert, um dichte Strukturen und leistungsstarke Komponenten zu erzielen. Gewährleisten Sie eine gleichmäßige und beschädigungsfreie Verteilung von Kohlefasern durch die Kontrolle der Spritzkopftemperatur, der Extrusionsgeschwindigkeit und der Schichthöhe.

Anschließend werden Wärme und Druck in der geschlossenen Form zur Fusionsbehandlung ausgeübt, um die Schichtporen zu beseitigen und die Bindungskraft der Faser-Matrix-Grenzfläche zu verbessern.

Abbildung 4: Spannungskurve für kurzfaserverstärkte Verbundstoffe

02.Mechanische Leistungsprüfung

Vorbereitung von Proben mit 0° und 90° Orientierung nach DIN 527-1 zur quasi-statischen Dehnungsprüfung bei Raumtemperatur.

Die Ergebnisse zeigen:

• 0 ° Richtungsprobe: hohe Steifigkeit, gebrochene Bruche, die Leistung wird hauptsächlich von der Faser dominiert;

• 90° Richtungsprobe: Niedrige anfängliche Steifigkeit, nicht linear signifikant, zeigt Polymerdominierende Eigenschaften;

• Die Unterschiede zwischen den Proben mit der gleichen Orientierung sind sehr gering, was auf eine gute Wiederholbarkeit der Ergebnisse hinweist.

03.Hochauflösende CT-Scans

Zwei CT-Scans mit dem Phoenix V|tome|x M300 System von Waygate Technologies:

• Vollständiger Probenscan: Analyse der gesamten Faserverteilung (7,3 µm³ Kostin)

• Lokal hochauflösender Scan: Fokus auf den mittleren Bereich der Probe (2 µm³ Kostin)

Abbildung 5: 3D-rekonstruierte CT-Volumen-Diagramm mit lokalem Schnitt

Abbildung 6: Volumenrendering von hochauflösenden CT-Scans

04. Bildaufteilung und Faser-Tracking

Mit Thermo Scientific ™ Avizo ™ XFiber-Modul der 3D Pro-Software zur Trennung von CT-Rekonstruktionsdaten und zur Verfolgung der Faser-Mittellinie. Der Algorithmus extrahiert eine einzelne Faser durch eine Vorlagenausstimmung mit einer Linienverfolgung und berechnet ihre Länge, Orientierung, Krümmung und Biegung. Letztendlich wurden über 198.000 Faserdaten erhalten und die Ergebnisse als Tensoren an Ansys für die Endelemente-Modellierung exportiert.

Abbildung 7: Einzelfaserteilung und lokale Vergrößerung

Abbildung 8: Faserorientierte Verteilung innerhalb der Region

Abbildung 9: Export von Orientierungsspannungsdaten zur Simulation

Mit mikroskopischen CT-Bildern und präzisen Tracking-Algorithmen konnten die Forscher die Orientierungsverteilung und die Schnittstellen der Faser quantifizieren und die Grundlage für die nachfolgende mechanische Modellierung und die Analyse des Bruchverhaltens schaffen.