Cure monitoring of thermosetting polymers and associated composites by means of active thermography

Die Polymerisation von Reaktionsharzen ist ein wesentlicher Prozess bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen im Autoklaven. Eine genaue Messung des Aushärtevorgangs ermöglicht die Optimierung des Autoklavenprozesses und ist daher im Sinne einer ressourcen- und kosteneffizienten Bauteilfertigung von besonderem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob aktive Thermographiemethoden zur Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften für die Überwachung des Aushärtevorganges von Reaktionsharzen prinzipiell eingesetzt werden können. Virtuelle Thermographiemessungen an ein- und zweidimensionalen Simulationsmodellen, die das thermische Verhalten des Polymers während des Aushärtens beschreiben, demonstrieren die prinzipielle Eignung. Dies gilt sowohl für Methoden, welche die Eigenschaften normal zur Bauteiloberfläche bestimmen, als auch für jene, die Eigenschaften parallel zur Oberfläche bestimmen. Reale Puls-Thermographiemessungen mittels optischer Anregung in Transmission und Lock-in-Thermographiemessungen wurden während des Aushärtens von reinem Epoxidharz durchgeführt. Die Lock-in-Experimente umfassten sowohl Messungen in Transmission mit Kontaktheizung als auch in Reflexion mit vollflächiger sowie punktueller Laserbeleuchtung. Die tatsächlichen Eigenschaften, gemessen normal zur Oberfläche, zeigen nach der Vitrifizierung des Polymers das gemäß den Simulationen zu erwartende Verhalten. Des Weiteren wurde gezeigt, dass mehrschichtige Materialien, bestehend aus einer optisch absorbierenden Deckschicht hoher Wärmeleitfähigkeit und einer darunterliegenden Reaktionsharzschicht mit sich verändernden Eigenschaften, ein deutlich anderes thermisches Verhalten im Vergleich zu einlagigen Materialien aufweisen. Bei Lock-in-Messungen müssen zum Teil völlig andere Heizfrequenzen verwendet werden, um eine ausreichend große Phasenänderung durch sich verändernde Materialeigenschaften hervorzurufen. Basierend auf den effektiven Materialeigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen während des Aushärtens konnte gezeigt werden, dass vor allem relative Veränderungen der thermophysikalischen Eigenschaften normal zur Bauteiloberfläche große quantitative und qualitative Ähnlichkeiten zum reinen Reaktionsharz aufweisen. Diese Arbeit zeigt, dass aktive Thermographie zur Messung thermophysikalischer Eigenschaften von Reaktionsharzen und daraus bestehenden Faserverbundwerkstoffen während der Aushärtung eingesetzt werden kann. Das in weiterer Folge nötige Rekonstruieren von Aushärteparametern aus den gemessenen Eigenschaften und die geringe Sensitivität stellen Herausforderungen dar, die es in weiteren Arbeiten zu behandeln gilt. Ein kombinierter Ansatz von thermischen und spektralen Messungen wird vorgeschlagen.