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科技前沿

专栏|国际著名复合材料研究中心与大学介绍(五):慕尼黑工业大学碳纤维复合材料研究所
来源:武汉理工王继辉教授课题组  2018-07-31 13:50:03
本文阅读次数:1311

原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-6959.html       德国慕尼黑工业大学碳纤维复合材料研究所(LCC)(官网:http:/www.lcc.mw.tum.de/)创建于2009年5月,由德国西格里集团(SGL Group - The Carbon Company)在慕尼黑工业大学投资创立。LCC从加工、成型、仿真和检测方面对碳纤维复合材料的应用进行体系化研究,专注复合材料整个工艺链的研发,通过新理论的孵化和技术转化反馈于学术界和工业界,该研究所隶属于机械工程学院。LCC与德国国内和国际上的研究机构均有密切合作,和工业合作伙伴关系密切,研究中心设置的课程能全面而权威。对于创新型生产工艺,LCC可提供最先进的操作系统,用于优化碳纤维复合材料部件设计,并使整个工艺链更加高效。LCC是国内外多个大型公司的战略研究合作伙伴,也是“Carbon Composite e.V(碳纤维复合材料注册协会,遍及整个德语区,覆盖碳纤维及其下游产品,共有企业和科研院所200多个成员)”和前沿集群“MAI Carbon(Munich – Augsburg – Ingolstadt Carbon,德国拜仁州慕尼黑-奥古斯堡-英戈尔施塔特地区的碳纤下游及周边企业的联合会)”的核心合作伙伴。

        该研究所所在位置:
 
       1.LCC研究所概况

       LCC追求跨学科的研究方法,研究范围从原材料的开发到完整的复合材料部件的应用。研究所开发了专用的仿真方法,实现从仿真到制造产品工艺链的完全覆盖。LCC主要包含五个研究小组:
  1. 纤维和织物加工工艺;
  2. 树脂基体成型工艺;
  3. 仿真;
  4. 材料性能和表征。
  5. 交叉领域。
       1.1 研究所的组织结构:
 

       1.2 研究人员

       1.2.1研究中心主任:


       Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
       Boltzmannstr. 15
       85748 Garching
       电话:+49(0)89/289-15087
       传真:+49(0)89/289-15097
       工作室:5504.01.435
       邮箱:drechsler@lcc.mw.tum.de

       个人简历
       1979年-1985年 斯图加特大学,航空航天工程学院
       1985年-1989年 斯图加特大学飞机制造研究所(IFB),研究助理
       1989年-2002年 于奥托布伦担任MBB/DASA/DaimlerChrysler/EADS,开发工程师/部门主管/科学主任
       1991年 斯图加特大学博士;课题:“对三维纤维增强复合材料的设计和计算的研究”
       1991年 MBB/ DASA中心实验室“基体测试技术”部门负责人
       1994年 戴姆勒-克莱斯勒结构材料研究部科学主任
       2002年-2009年 斯图加特大学飞机设计研究所所长兼飞机制造主管
        自2009年以来 奥格斯堡Fraunhofer“功能集成轻量级设计”项目组负责人
        自2009年以来 TUM碳纤维复合材料研究所主席

       协会职务

       1996年至2002年 SAMPE德国主席(国际先进材料与制造工程协会)
       2003年至2005年 SAMPE欧洲总裁
       自2005年以来 前SAMPE国际总裁
       自2001年以来 巴黎SAMPE国际会议科学计划委员会主席
       自2003年以来 WAK成员(塑料技术领域的大学教授科学工作组)
       自2005年以来 慕尼黑复合材料会议科学计划委员会主席
       自2005年以来 DLR(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,简称DLR)德国宇航中心特别委员会成员
       2007年 碳复合材料-奥格斯堡的创始董事
       自2010年以来 撒克逊科学院院士
       自2014年以来 ESCM副主席(欧洲复合材料学会)

       1.2.2研究中心副主任

 
Dipl.-Ing. Swen Zaremba

       2.研究目标


       LCC的研究目标是形成一套完善的复合材料成型工艺链和仿真流程链,要求涵盖制备和模拟的各个方面。

       3.研究方向及设备

       3.1 纤维和织物加工工艺

        组长:Dr.-Ing. Christoph Ebel

       在“纤维和织物加工工艺”领域,LCC的团队专注于增强纤维加工工艺,使其能够在复合材料部件中以最佳的形式承受载荷。该团队对编织技术,特别是基于纤维自动铺设和预制织物进行研究。LCC使用先进独特的工业技术制造可重复生产的组件,使用的原材料有干纤维束、预浸料、半成品纺织织物等。

       核心目标:

       a)了解,评估和优化制造流程,显著降低制造成本并减少材料浪费;
       b)确定最优的负载导向纤维结构,尽可能准确地反映出成品部件的最终形状;
       c)使用在线监控系统捕获过程变量、利用光纤监测记录数据,确定最优工艺参数,以控制流程并评估组件性能。

       纤维和织物的加工工艺研究组分为三个团队展开研究:

       3.1.1纤维自动铺放团队

        纤维自动铺放(AFP)是一种全自动复合材料部件制造工艺。通过机器人引导的纤维增强塑料带在一定的压力和温度下沿着预定路径铺放在三维模具表面上。在LCC,我们通过实验进行检验,并将实验结果与模拟数据进行比较,以此来对制造过程进行优化。
采用预浸料纤维自动铺放技术(AFP)生产复合材料部件

       (1)实验过程

       响AFP工艺的主要因素是压力,铺设速度和工艺温度。我们详细研究了这些参数与所用材料(热固性塑料,热塑性塑料或干丝)的相互关系以及几何铺设形状。特别具有挑战性的是热塑性“原位”纤维铺放技术。
纤维铺放过程中工艺参数的示意图

       (2)材料特性

       预浸带的粘性主要取决于工艺温度,而粘度会影响铺设性能。在实验中,我们研究过程变量(模具材料和预浸带表面的相互作用)如何影响该材料参数。为了预测纤维沉积效应并确定模拟研究的标准值,小组使用与测试技术紧密联系配合的AFP材料。
铺放过程中温度分布示意图

        (3)沉积效应的影响
       典型的沉积效应是纤维的重叠、孔隙、“桥接”或波纹。除了评估它们对组件后续机械性能的影响外,另一个研究重点是对产生这些效应的材料和工艺过程进行预测。

       (4)组件

       AFP用于多个组件制造研究项目。研究的成果可直接应用于实际组件。目前最新的例子是热塑性纤维复合型材与沉积的覆盖层的原位连接,用于生产直升机舱门。

       3.1.2编织技术团队

       主要研究领域是发展应用于工厂的编织设备,以及研究在环形封闭型材的编织过程中材料的性能。LCC有三个不同尺度的系统,通过机器人进行操作,可以生产各种不同尺寸和几何形状的元件。
带有搬运机器人的径向编织系统

        (1)系统工程
       为了充分挖掘利用编织工艺生产大型纤维结构复合材料的潜力,我们正在努力将该系统整合到高度集成的制造单元中。通过进一步开发工业技术和辅助工艺,对该工艺进行深入研究,并为工业应用做好准备。
       (2)环形封闭型材
       通过特殊的系统,可以生产环形型材部件,我们正在深入研究其性能。由于采用圆周编织,即使是多层结构的组件,纤维也仅在开始和结束时有间断,因此兼具最佳机械性能以及小的浪费率。
环形封闭型材的编织系统

       (3)材料
       材料、工业应用情况以及网格的结构都对产品性能有很大影响。这些参数必须与预期用途相匹配。除了干纤维束的性能之外,还测量了用热塑性或热固性基体预浸渍纤维的加工性能,这里使用的是光学和机电测量-评估系统。

       3.1.3 织物铺缝技术

       队长:Dr.-Ing. Christoph Ebel
       在织物铺缝技术领域的研究重点是生产纤维增强复合材料预成型体的新工艺。小组目标利用经济高效的工艺来生产无废料并且带载荷优化结构的网状纺织品。
       (1)纤维贴片预成型(FPP)
       在FPP工艺中,从预浸带上切下并展开的贴片由机器人单独夹持并铺覆在组件模具中,以便以自动化的方式生产具有复杂载荷路径且纤维定向排列的预制件,产品几乎没有切口。我们目前正致力于改进FPP工艺。带有搬运机器人的工厂使我们能够生产三维预制件;先进决策模式补丁的开发使组件的优化成为可能。
纤维贴片预成型系统

       (2)长纤维预制件的成本效益流程

       碳纤维长丝的预浸料代表了纤维复合材料领域中一种新型的预成型半成品。通过高效工艺用原丝或再生纤维材料制造预浸料,并且可以通过在制造过程中添加各种添加剂来实现功能化。我们研究了如何针对不同的应用情况优化表面特性,导电性或抗冲击性。
       (3)热塑性近净成形半成品
通过与工业界的密切合作,我们开发了新型高效的织物缝纫技术,用于生产近净成型半成品。单向碳纤维粗纱以最佳方式铺放并固定。通过精确的粘附在坯料轮廓上,没有多余的材料被引入半成品中。悬垂性能的确定确保了在模具中半成品纤维以最佳方式取向且无皱褶放置。

       3.2 树脂基体成型工艺;

       组长:Dipl.-Ing. Swen Zaremba

       “基体系统的加工技术”小组致力于研究连续纤维增强复合材料部件的基体系统的加工技术。研究重点分为两方面,一是基体系统的基础研究和对纤维材料浸渍性能的表征,从而优化加工技术。另一方面是模具技术,例如表面密封、连接等相关问题。研究目的是扩大纤维复合材料的使用范围,主要研究方向有以下三个:

       3.2.1混杂材料与结构


       队长:Dipl.-Ing. (Univ.) Jan Krollmann

       LCC的这一工作队伍以需求为导向,通过使用混合材料及构造方法对部件进行功能扩展。混杂材料是指在复合材料部件中组合使用不同基体系统、增强纤维和可能的金属结构。该工作组在各个研究领域开发新的创新应用,优化混杂材料加工的制造工艺,并在机械,物理和化学性质方面对其进行表征。
混杂材料组合的示意图

       (1)多材料加工
       现有的纤维复合材料部件的制造方法,例如树脂传递模塑(RTM),真空辅助树脂灌注或细丝缠绕,适用于各种材料的共处理和原位加工。不同基体系统的组合使得部件的局部柔性化成为可能。使用具有局部碳纤维增强的玻璃纤维增强材料将有利于把材料成本与最佳机械性能相结合。
       (2)优化约束引入和载荷传递元件的加工方法
       在机械和设备工程中,纤维复合材料的使用开辟了新的应用领域。然而,一个难点是常规机械元件与新型复合结构的组合,如何通过施加约束形成复合部件。目前研究方向是设计和制造载荷传递元件,例如轴毂连接,插入件或螺栓连接件。
       (3)在树脂传递模塑(RTM)工艺中集成热塑性薄膜
       大批量生产的汽车用复合材料的表面问题仍未解决,并限制了复合材料广泛运用。通过一体化加工的热塑性片材,将膜技术和复合技术结合,实现了表面处理和柔性半成品处理之间的协同作用。
       (4)CFRP金属连接的工艺集成生产
       在RTM工艺中,CFRP部件与金属嵌件的整体生产降低了生产成本,还实现了材料和形状相适应的组合。加工中的难点是由于不同固化组分的材料热膨胀系数不同而产生的残余应力。同时,在受到嵌入物的影响时,如何确保纺织半成品的均匀性和完全浸渍。

       3.2.2流程和生产系统

       队长:Dipl.-Ing. (FH) Daniel Teufl

       对于纤维复合材料部件的工业生产,以经济,快速和资源有效利用的方式设计部件,对制造工艺的基本理解是重要的。出于这个原因,该团队研究工业流程和生产概念,现有流程的可能性探索和改进,以及新概念的开发。通过结合实践和理论中制造工艺,可以实现纤维复合材料部件制造优化的目标。
       RTM技术是碳纤维增强材料在工业上一种比较常见的制造方法。研究重点是大批量应用时注射时间和RTM整体工艺链(从切割到最终产品)的优化。

       (1)连续纤维增强热塑性塑料的热成型
       热成型工艺是一种高度自动化的结构部件制造工艺,周期非常短。以用于生产简单几何形状部件的压模成型技术为基础,该研究团队针对具有复杂几何形状的预制件的稳定成型加工工艺展开研究。
      (2)用于纤维处理的2.45GHz微波技术
虽然材料之间的热传递限制了传统加热过程,但2.45GHz微波的使用可以将能量直接引入材料中而不受环境温度的影响。通过这种热能直接输入到预制件或部件中的方式,可以实现更快和更节能的干燥,熔化粘合或固化。

       3.2.3模具系统


       队长:Dipl.-Ing. (Univ.) Philipp Kammerhofer

       纤维增强塑料部件的生产借助于模具实现。可闭合的半壳模具以及型芯决定了部件的最终几何形状。对制造过程(例如循环时间减少)和部件(例如机械性能的优化,重量减轻)的新要求导致对模具的要求提高。一体化结构模具可充分发挥CFRP的轻量级潜力。这种设计方法可生产具有更复杂的几何形状的部件。不同的材料特性(例如特定的热膨胀系数)在模具的设计中起到决定性作用。通过将传感器集成到模具和组件中,可以监控和优化工艺过程参数。实现制造流程的经济、高效和稳定。通过集成在组件中的传感器,还可以实现功能集成。“模具系统”团队负责研究用于生产复杂零件的新型创新模具以及传感器的集成。

       (1)可拆卸的空心部件核心系统
       中空部件模具比外壳元件模具具有更高的性能。开发和评估用于生产具有底切的中空部件的新核心系统可以有效降低成本并改善机械性能。
        (2)将传感器集成到模具中(过程监控)
       在复合材料部件的生产过程中记录工艺参数有助于更好地理解该工艺。这一方面可以减少循环时间,另一方面可以提高制造部件的质量。为此,我们将传感器集成到模具中以及预成型件中。
在线过程监控系统示意图
       (3)开发新的整体模具系统
       制造过程中的所有工艺参数都有研究的必要性,因为它们会影响最终部件的性质。这一团队研究了工艺参数和组件几何属性之间的关系。另一个研究重点是对节能模具系统的研究。

       3.3 仿真

       组长:Dr.-Ing. Mathias Hartmann

       高性能纤维复合材料结构(航空航天,汽车等)近年来大幅度增长,我们目前的研究目标是充分发挥复合材料质轻高强的特性,同时提高生产自动化程度并缩短工艺周期和成本。在这里,制造过程的模拟为过程优化提供了有效灵活的工具,这使得在成品制作完成之前也能够准确理解部件的生产过程。诸如纤维角度的工艺参数可以直接传递到部件设计中。将各个仿真步骤集成到仿真平台中,准确组合各个模拟步骤。在生产模拟中,与过程技术团队密切合作,研究了直接预制件(如编织或AFP工艺)或顺序预制件(如悬垂和填充模拟,压实和固化或整合)的制造。
仿真平台

       3.3.1成型和流动过程模拟

       队长:David Colin, M.Sc.

       研究领域为:成形和树脂填充过程的模拟。具体有编织,铺放和AFP(自动纤维铺放)(预)形成过程的模拟以及纤维,半成品纤维产品和组件的渗透模拟。到目前为止,已建立的模拟模型还处于研究阶段,在工业上的应用非常有限。研究的一个重点是现有方法的进一步发展以及新模拟方法和材料模型的开发。
几何体上的成型模拟示意图

       在LCC,还使用有限元模拟研究编织过程。这里的研究重点是不同工艺参数之间的关系及其对有限元网格结构的影响。通过独立实验来确定不同的工艺参数。仿真模型通过在LCC的编织机上进行的编织测试来验证。
编织过程的有限元模拟

       (3)AFP过程模拟
        为了确定在AFP(自动纤维铺放)工艺中热和机械工艺参数之间的关系,LCC已经开发出可用于描绘过程的仿真模型。除分析模型外,还进行了热机耦合有限元模拟。模型的验证通过LCC的AFP设备进行。
AFP工艺的热和机械建模
       (4)RTM工艺模拟
       在LCC,研究了(RTM)材料的表征和验证。开发了一种测定渗透率的模拟方法,该方法基于纺织半成品的图像记录分析。利用图像分析的结果,建立单元格纺织模型,通过该模型可以通过流动模拟确定渗透率。利用所获得的材料特性,可以预测RTM过程变量,例如注射压力,填充时间和流动前锋。
跑车底盘的图像分析结果(左)和RTM过程模拟(右)

        3.3.2压实,固化和固结模拟

       队长:Dennis Bublitz, M.Sc.

       树脂固化是复合材料部件生产中的重要工艺步骤,决定了材料的最终性能。理想情况下,应用程序结构在形式和功能方面完全符合设计规范。然而,实际情况并非如此:热,机械和树脂流动以及压实现象导致几何形状产生偏差,例如固化过程引起的变形(PID)以及内部结构的缺陷,例如孔隙率含量。
       该团队致力于开发工业化建模与仿真方法,以预测固化过程中的组件行为,目的是提供优化相关工艺参数的工具。
孔隙的分类

       (1)过程诱导变形(PID)
        生产高精度CFRP组件需要了解固化过程后的最终几何形状,这与标准模具的几何形状本质上是不同的。该研究团队总体目标是为复合材料结构制造商提供成本效益分析的基础。
 
固化后变形的横截面。变形尺度系数:30
       (2)热分析
 
       在热固性树脂材料中,交联度是描述树脂性质的中心状态变量,例如在固化过程中的放热效应,收缩、粘度、模量变化等。热分析的结果一方面作为确定PID详细方法的必要部分,另一方面也可以用于模拟优化过程(例如,确定最佳脱模时间,最小过程持续时间,以实现特定的材料特性)。研究重点是表征和模拟固化期间材料特性的变化(例如,树脂固化动力学,模块开发等),并扩展应用于当前技术和新工艺技术(包括电加热工具)的多物理场仿真平台的研究。

       3.3.3材料建模和结构分析

       队长:Swami Venkat, M.Sc.

       “材料建模和结构分析”团队研究领域涉及纤维复合材料的建模以及不同长度尺度的机械和胶合连接。材料建模的一个重点是通过单元网格预测纺织复合材料的本构行为。此外,正在开发用于测量和预测非线性的新方法,例如复合材料和粘合剂粘结部位的损伤和可塑性。为此,开发和应用了本构法,以及用于特征值确定和验证的材料测试方法。结构分析侧重于模型在宏观工程中的应用,例如结构连接和部件的分析(风力涡轮机叶片)。

       纺织品制造工艺(例如编织)的使用能够显着降低制造成本和周期时间。与单向复合材料相比,编织复合材料具有较低的机械性能和更复杂的失效行为。LCC的研究包括材料的实验表征和晶胞计算以及材料分析建模。目的是为由编织复合材料制成的部件开发新的计算方法。
编织复合材料的实验表征和单元格模拟
        (1)复合材料结构的损伤和失效模型
         由于纤维复合材料明显的异质性和各向异性,它们的失效是由各种局部损伤过程引起的。基于此机理,通过研究“第一阶失效”,以及损伤扩展,最终得到结构完全失效的方法是非常有用的。为了实现这一点,该团队正在开发纤维复合材料(如结构)的计算模型。
 
 
OHT实验模拟中的基质损伤过程
        (2)纤维波纹度对纤维复合材料结构刚度和强度特性的影响
        在转子叶片的制造中经常观察到纤维波纹缺陷。原因是多方面的,其中,在沉积过程或在固化期间可能产生纤维波纹。LCC研究了具有这些特征的部件在刚度和强度行为方面的特征,用于数值模拟和实验评估。
转子叶片的有限元分析
 
       (3)纤维增强材料粘接接头的设计和模拟
        粘合剂连接技术越来越多地用于现代结构中。特别地,纤维复合结构受益于粘合的优点,可以在较宽区域内将力引入结构中并且在连接过程中纤维不会被损坏。LCC正在研究计算方法在安全和轻质粘合剂粘合设计中的工业适用性,研究重点是应变率相关负载下的粘接接头的模拟,例如,在发生碰撞时。
单面粘合剂粘合的模拟和实验
3.4材料测试和表征;

       组长:Dr. Hannes Körber

        实验方法对于研究纤维复合材料行为具有重要意义。在LCC,提供各种最先进的测试方法和测试设备:包括热分析和流变学测试,基体和复合材料的物理和机械性能测试,单向和纺织半成品纤维产品的悬垂性能和渗透性研究,高动态测试(冲击,碰撞)等。除了所有领域的标准化测试方法外,还开发了新的和创新性的测试方法,并在LCC的实验室中使用。
 
       “材料行为与测试技术”团队的工作重点是:


       a.基体,纤维和半成品的加工技术的优化。
       b.在静态和高动态载荷下研究FRP部件,单层和层压板材料的性能。
       c.研究制造过程中FRP材料性能的新测试方法
       d.确定用于过程和结构模拟的材料参数。

       3.4.1复合材料测试实验室


       队长:Luciano Avila Gray, M.Sc.

       纤维增强聚合物基复合材料的开发需要深入了解各组分的物理,化学和机械性能以及复合材料的最终性能。然而,复合材料的性能不但受各个组件的影响,制造过程也起着决定性的作用。在LCC复合材料测试实验室中,可以使用各种分析和实验方法确定各个组分和层压材料的物理,化学,热机械性能以及纤维体积含量和孔隙率。在显微镜的帮助下,还可研究了纺织复合材料的纤维结构。
       (1)化学实验室

        1)基体表征
        纤维增强聚合物基复合材料的树脂体系能够将载荷传递到纤维中并保护纤维免受环境影响。
        2)流变性质
        树脂体系的流变性决定了能否对对纤维的良好浸润效果,特别是在制造过程中粘度的变化。适用期对于热固性纤维复合材料的工艺窗口意义重大,而在热塑性基质中应设定尽可能理想的温度-粘度比。
      (从左到右)安东帕MCR 302流变仪,恒定距离和可变间距(恒定剪切速率)的测量系统

        3)粘弹性特性
        聚合物材料以及纤维复合材料是粘弹性的。它们的机械性能可以来自弹性和粘性比例的组合。这为诸如蠕变,应力松弛等应力-应变行为的现象提供了解释。因此,粘弹性特性的研究对于理解和描述不同负载情况(静态,冲击,循环载荷)下的材料行为非常重要,可以使用流变仪和动态力学分析(DMA)来进行研究。
 
(从左到右)TA Instruments DMA Q800,用于三点弯曲测试的样品架,用于描述粘弹性材料行为的Burgers模型

       4)玻璃化转变温度(Tg)
       玻璃化转变温度(Tg)是热固性树脂和热塑性树脂的重要参数。通常,塑料在高达接近Tg的温度下使用,玻璃化转变温度可以通过差示扫描量热法(DSC),动态力学分析(DMA)等来确定。
        5)固化度
        热固性聚合物固化过程中的交联是放热过程。因此,每个基体体系都具有特征焓,这可通过差示扫描量热法(DSC)来确定。
        6)结晶度
        在半结晶热塑性塑料中,结晶度主要取决于生产过程中的温度分布,并且严重影响后来的机械性能。结晶度也可以通过DSC方法测定,此外,还可以提供熔点和固化温度的信息,这反过来对于优化热塑性塑料和具有热塑性基体的纤维增强复合材料的制造过程是至关重要的。
(从左到右)TA Instruments DSC Q200和热流温度图中特征DSC的图示

       7)显微照片分析
       纤维增强塑料复合材料的性能,例如弹性,强度或断裂韧性,受材料类型,纤维含量(基于体积或重量)和各个组分的分布的影响很大。通过纺织工艺,可以针对性地设定纤维增强塑料的机械性能。
       
       8)成分分数分析
       由于纤维-树脂复合材料中的主要载荷由纤维承担,所以复合材料的机械性能如刚度和强度随着纤维/基体比的增加而增加。太大的孔隙率对机械特性具有负面影响,因为在这些点处,载荷从基体到纤维的传递受到干扰。除了使用光学方法(显微镜)进行定性分析外,还可以通过硫酸(湿化学法)来测定纤维含量和孔隙率。

       9)纤维结构
除了特定的纤维/基体比之外,复合材料的材料特性由纤维分布和纤维结构决定。通过显微照片的评估,可以研究复合材料结构,包括纤维粗纱中的单根长丝分布以及中等和宏观水平的纤维结构。
       显微镜工作站

       10)设备
       为确定上述基体属性并在微观,中观和宏观层面检查复合材料结构,LCC提供以下设备:

       热分析仪器:
       •差示扫描量热仪(DSC)TA Instruments Q200
       •动态热力学分析仪(DMA),TA Instruments Q800
       •流变仪Anton Paar公司MCR 302

       显微分析:
       •自动研磨抛光机,Struers Tegra公司
        •立体声显微镜(带可调节LED照明环),Olympus SZX10
       •显微镜(5-,10-,20-,50-和100倍甚至更高的分辨率),Olympus BX41M
       •显微镜设备与数码相机,Olympus SC30
       •图像捕获和分析软件,Olympus Stream Motion

        (2)机械实验室

       1)渗透性和压实测试

       干燥半成品纺织品的渗透性和压实行为对各种树脂浸润技术影响很大,例如,真空灌注(VARI,VAP等)或RTM。借助安装在机械实验室的万能试验机中的2d渗透性测试仪,可以对影响渗透性行为的不同因素(例如,纤维结构,层结构,层压板厚度,粘合剂材料,压实等)进行详细研究。

       复合部件通常通过在复杂的几何形状上铺覆来形成,特别在双曲面和小半径处,可以发生纤维结构和纤维取向的变化。通过画框实验以及半球形和双正弦冲击试验,可以在LCC定量和定性地检查各种半成品纺织产品的悬垂性能。

        开发新型碳纤维复合材料的一个重点是要有出色的机械性能,特别是高比刚度,比强度和损伤容限。在LCC的机械实验室中,可以进行各种标准化和非标准化的机械测试,以确定纤维增强复合材料的机械性能。
 

       2)设备

       LCC的机械实验室提供以下设备,用于材料表征和机械测试:
       •万能试验机,Hegewald&Peschke Inspekt 250,±250 kN传感器
       •万能试验机,Hegewald&Peschke Inspekt Table 100,±100 kN传感器
        •额外的10 kN传感器,可在两台万能试验机上使用
        •温度室,-40°C至+350°C,仅适用于250 kN万能试验机
       •8-Kannal通用测量放大器HBM MX840A,用于应变计测试
       •光学测量系统GOM ARAMIS-4M,2d / 3d位移和应变场测量

       3.4.2高应变率下的材料行为

        队长:Dr. Hannes Körber

       纤维-合成物复合材料(FKV)现在越来越多地用于航空领域与汽车领域,并且可能暴露于高动态载荷下(冲击,碰撞)。因此,有必要检查FRP和聚合物的应变率。由于高速摄像机技术领域的快速发展和光学测量方法的建立,近年来高动态测试的准确性得到了稳步提高。在LCC,使用霍普金森杆来研究高动态载荷和应变率依赖的材料行为。除了经典测试装置—Split-Hopkinson压力杆(SHPB),LCC还配备了分离式Split-Hopkinson张力杆(SHTB)和Split-Hopkinson扭力杆(SHToB)。

       (1)Split-Hopkinson Bar
        Split-Hopkinson Bar非常适用于确定FRP在大约50-2000 s-1的应变速率范围内的材料机械行为。撞击产生的入射波在撞击材料样品时会被部分反射和传递。可以采集样品的力-时间信号,应变时间和应变速率-时间信号。
几种霍普金森杆的示意图
       (2)高速摄像机
        通过Photron SA5高速相机记录样品的变形,相机的最大帧速率高达775,000张/秒。

      (3)光学应变测量
       通过使用modernster(光学测量方法),如数字图像相关(Digital Image Correlation, i.e. DIC是一种追踪试验物体表面的应变变化和位移变化的技术,目前逐渐发展并有取代应变片(strain gauge)的趋势。)。即使在高动态实验中,也能提供FKV的正交各向异性材料有关样品变形和应变状态的全面信息。
SHPB测试中在轴外负载下纺织CFK样品的轴向膨胀场

       3.4.3测试方法的开发

       队长:Dr. Hannes Körber
如今的纤维复合材料部件制造工艺范围从传统的手工铺设过渡到了更先进的技术。不断开发的新材料系统往往没有标准化的测试方法,所以也必须发展相适应的新测试方法。。

      (1)树脂注射技术

        干燥半成品纺织品的渗透性和压实性是树脂注入方法的关键工艺变量,例如,真空灌注(VARI,VAP等)和RTM方法。LCC开发了不同的实验装置(1D,2D平面内和1D平面外方法),它们相互补充,使LCC在干燥半成品纺织产品的渗透性测试领域具有突出地位。
        由于基体体系的不同,热塑性材料与热固性复合材料有很大不同,这也反映在它们的失效行为中。此外,热塑性复合材料的各种成型工艺(例如,热成型,感应焊接或纤维铺放技术)也与热固性材料有较大不同。显微镜可用于分析热塑性复合材料,通过显微照片能够对不同的生产技术以及不同的工艺参数对热塑性材料的影响进行光学评估。
在显微镜下研究热塑性复合材料

       (2)纤维铺放和单向增强带的表征


       纤维复合材料领域的许多制造工艺都使用片状半成品材料,例如织造或非织造织物制成的层状材料。单向纤维增强带常用于铺设技术,在LCC,该团队研究了层压板中的不均匀性,例如各个纤维带的间隙或重叠以及它们对材料性能的影响。此外,正在开发基于激光的热塑性纤维铺放过程的测试方法,用于定义材料依赖性以及特定过程的参数。

       3.5交叉领域
       3.5.1在线过程监控(OPM)
       队长:Jonathan Oelhafen, M.Sc.

       在提高资源利用率和系统效率的需求背景下,“轻量化制造”这一主题变得越来越重要。除了经典的航空航天和风能行业,还包括其他行业如汽车和体育产业。
       随着CFRP组件的使用越来越多,以及生产自动化程度越来越高,对组件和过程监控的需求也在不断增加。自动纤维铺放技术(AFP),浸润技术(例如LCM,RTM,VARI等)和编织技术等方法的过程中包含多个对环境高度敏感的参数。这些参数必须在线监控,以便对正在进行的生产过程进行调控。在自动纤维铺放的(AFP)的领域中,我们进一步研究各种“监测和控制”的方法,以便更好地监控该过程,并使其在未来的大批量应用中更加稳定和安全
热固性过程中使用热成像仪进行过程监控(左);
激光切割传感器进行自动纤维角度放置(右)

       在渗透技术领域,我们目前正将研究重点放在使用光纤传感器(FOS)获取工艺参数上。光纤布拉格光栅传感器(FBG)和菲涅耳传感器用于研究流动前沿和粘度变化。
使用光纤传感器(FOS)进行渗透过程中的监测

       进一步的研究重点是编织过程的监控。为了监测到纤维堆积和纤维损伤,使用各种技术,例如纤维角度成像传感器和激光传感器。
       除了监控制造过程外,在使用过程中监测部件也很重要。通过所谓的结构健康监测(SHM),可以在使用过程中检测到临界负荷,从而提高安全性并缩短维护间隔。LCC通过各种光学,电学和机械方法(如涡流传感器,声发射,激光和红外方法)来获取相关参数。

       3.5.2渗透性

       队长:Dipl.-Ing. Swen Zaremba

        在树脂渗透技术的工艺开发和模具设计领域,增强纤维织物的渗透率是一个的重要参数。多孔材料的渗透率是一个几何量,描述了该材料对流体的渗透性。到目前为止,还没有用于确定渗透率的标准化测量方法,这导致了多种方法的发展。基于实验和模拟的方法在准确性方面是最有希望的。自LCC成立以来,两者都得到了关注。

        在LCC最常见的测试方法为单向流动方法(1D)和径向流动方法(2D),它们的功能相互补充。然而,实验方法仅限于确定平面样品的渗透率值,而实际部件通常包含弯曲区域,并且由具有不同纤维体积含量和不同纤维结构的不同层结构组成。此外,在实际实验中,材料的消耗和一定量的实验时间是不可避免的。模拟方法的优势在于即使是复杂的材料模型,也可以快速计算渗透率值。通过显微照片的数字图像处理方法、计算机断层扫描(CT)中的图像或纤维结构的其他数字图像来对材料进行建模。但是,实验验证对于模拟的验证至关重要。

       (1)组件级别的单向流动方法
       单向流动方法允许在压力梯度方向上确定不饱和和饱和渗透率。流动前沿位置通过压力传感器测量。测试数据由数据采集系统记录并自动评估。为缩短测试时间,最多可同时进行四组测试,其中流动前沿位置还可通过透明半模光学检测到。
4腔测试台
       (2)构件级径向流动方法及厚度方向压实行为的确定
       在该测试装置中,通过一次测试就可以确定部件平面(2D)中的完全不饱和渗透率张量以及材料在厚度方向上的压实行为。该装置安装在万能试验机中,并且通过光学方法检测流动前沿位置。测试数据由数据采集系统记录并自动评估。可以连续调节样品的纤维体积含量,并且可以测量材料的压实行为,作为两个半模的闭合速度的函数。
       (3)厚度方向的单向流动方法
       测量单元能够确定压实纤维材料在厚度方向上的饱和渗透率。通过使用多孔板实现厚度方向上的流动以及层结构在厚度方向上的同时压实。使用集成的压力传感器测量入口和铸造区域中的压力。基于这些实验测量装置,可以根据达西定律再确定完整的3D渗透率张量。
厚度方向测试台

       (4)渗透率测定的模拟方法
       该方法的原理是构建材料数值模型和之后的流动模拟(CFD)。使用由此确定的速度场和达西定律以数值的方式计算渗透率。重要的一点是获取纺织纤维结构建模的所有相关输入参数。为此,以图像的形式捕获材料结构并通过数字图像处理进行分析。

       4.课程
       LCC在慕尼黑及其周边地区共有三个研究地点,总共有49名员工(其中37名是研究人员)。研究所与许多德国和国际诸多研究机构和工业合作伙伴紧密合作。

       4.1主修课程

       (1)碳复合材料的材料和制造技术介绍(仅适用于本科生)
       (2)纤维,基质和复合材料及其特性
       (3)复合结构的设计与施工
 
航空中扰流板的开发过程

       (4)复合材料部件的制造工艺
 
热固性预浸材料自动放置

       (5)复合材料的过程模拟和材料建模
 
复合材料的模拟

       4.2辅修课程

       (1)多功能聚合物基复合材料
 
     含有碳纤维填料颗粒的聚乳酸聚合物

       (2)碳和石墨—关键行业的高性能材料
       (3)复合材料供应链和价值创造

       4.3 实践课程

       (1)复合建筑方法实习
 
机身的典型结构
       (2)复合材料部件的制造技术
       (3)用CATIA V5构造复合结构
 
使用CATIA V5设计和模拟复杂的复合材料零件

       (4)理论和实践的结合

        这门课程讲授了粘合剂粘合的设计,构造和生产的基本要素。课程结束后,学生们能够:

       a)分析粘接接头的承载能力
       b)表征粘合剂或粘合剂(测试的执行,评估和解释)
       c)评估粘合剂在特定应用中的适用性
       d)了解和评估工业粘合剂粘合的工艺

       该课程包括实验室的理论基础知识和实际应用。部分实习在慕尼黑附近的DELO Industrial Adhesives合作实验室进行。

       (5)复合材料仿真

       “复合材料模拟”实践课程为复合材料的建模和仿真,纤维复合材料部件的验证以及制造过程中所选参数的模拟提供了理论和实践内容。实习分为理论部分和实践部分。在理论部分,通过交互式讲座学习建模/模拟的基础知识,以便在实际部分中应用。
电池架的模拟

       5.出版物
       LCC有着众多科研人员,科研实力雄厚,每年都有大量的学术论文被Composites Science and Technology,Composites Part A,Composites Part B,Composite Structures等知名期刊收录。
       5.1 会议论文(节选)
       [1]Ehard,S.;Ladstätter,E.;Jürgens,M.;Bortolotto,L.;Remer,N.:Development of a hybrid tail rotor drive shaft by the use of Thermoplastic Automated Fiber Placement. ECCM17 - 17th European Conference on Composite Materials, 2016
       [2]Ehard,S.;Mader,A.;Ladstätter,E.;Drechsler,K.:Thermoplastic Automated Fiber Placement for manufacturing of metal-composite hybrid parts. Euro Hybrid Materials and Structures 2016, 2016
       [3]Fahr,P.;Hinterhölzl,R.:Numerical investigation of interference fit assemblies and the influence of varying the laminate thickness. ECCM17 - 17th European Conference on Composite Materials, 2016
       [4]Horn,B.;Ebel,C.;Drechsler,K.:Strategies to increase the mechanical performance of long fiber patch preforms. ECCM17 - 17th European Conference on Composite Materials, 2016
       [5]Jelinek,M.;Oblinger,C.;Baeten,A.;Drechsler,K.;Reinhart,G.: Development, manufacturing and testing of a CFRP metal hybrid gripper for highly dynamic manipulation processes. Euro Hybrid Materials and Structures 2016, 2016
       [6]Jürgens,M.;Hafe Perez Ferreira da Silva,M.T.;Ladstätter,E.: Shear-Out failure behaviour of surface structured metallic z-reinforcements for CFRP laminates and joints. ECCM17 - 17th European Conference on Composite Materials, 2016

       5.2期刊论文(节选)
       [1]Eberl,L.;Avila Gray,L.;Zaremba,S.;Drechsler,K.: The effect of fiber undulation on the strain field for pinned composite/titanium joints under tension. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 103, 2017, 148-160
       [2]Horn,B.;Neumayer,J.;Drechsler,K.:Influence of patch length and thickness on strength and stiffness of patched laminates. Journal of Composite Materials, 2017
       [3]Jürgens,M.;Heimbs,S.;Lang, H.;Ladstätter,E.;Hombergsmeier,E.:Pull-out testing of multiscale structured metallic z-reinforcements for CFRP laminates. Composite Structures 161, 2017, 384-392
       [4]Kollmannsberger,A.;Lichtinger,R.;Hohenester,F.;Ebel,C.;Drechsler,K.: Numerical analysis of the temperature profile during the laser-assisted automated fiber placement of CFRP tapes with thermoplastic matrix. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2017
       [5]Kuhn,P.;Catalanotti,G.;Xavier,J.;Camanho,P.P.;Körber,H.: Fracture toughness and crack resistance curves for fiber compressive failure mode in polymer composites under high rate loading. Composite Structures 182, 2017, 164-175
       [6]Oblinger,C;Baeten,A.;Drechsler,K.: Numerical Analysis on the Structural Behavior of a Non-Engaging CFRP Bellows Coupling for Propulsion Technology. Key Engineering Materials 742, 2017, 723-731
       [7]Buchmann,C.;Langer,S.;Filsinger,J.;Drechsler,K.: Analysis of the removal of peel ply from CFRP surfaces. Composites Part B: Engineering 89, 2016, 352-361
       [8]Meier,R.;Kahraman,I.;Seyhan,A.T.;Zaremba,S.;Drechsler,K.: Evaluating vibration assisted vacuum infusion processing of hexagonal boron nitride sheet modified carbon fabric/epoxy composites in terms of interlaminar shear strength and void content. Composites Science and Technology 128, 2016, 94-103

       6.合作伙伴与科研经费


       LCC与多家科研机构和公司都建立了良好的合作关系,这些科研机构和公司分布于全球各地,形成了庞大的研发网络,并为LCC提供了充足的科研经费。
 






 
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-6959.html