Simulation of the thermoforming process of UD fiber-reinforced thermoplastic tape laminates
Creators: name: Dörr, Dominik
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Prepreg
Thermoplastic
UD tape
Forming
Process simulation
Thermomechanical
Finite element analysis
Viscoelasticity
Crystallization kinetics
Virtual process chain
Lightweight

description: Einer der entscheidendsten Prozessschritte bei der Herstellung von kontinuierlich faserverstärkten Kunstoffen ist die Umformung von zweidimensionalen Halbzeugen in komplexe Geometrien. Hierbei spielt das nicht-isotherme Stempelumformverfahren von unidirektional (UD) faserverstärkten thermoplastischen Tape-Laminaten aufgrund geringer Zykluszeiten, Materialeffizienz und Recyclingfähigkeit insbesondere in der Automobilindustrie eine immer größer werdende Rolle. Durch die Umformsimulation kann die Herstellbarkeit einer bestimmten Geometrie virtuell abgesichert und hierfür notwendige Prozessparameter bestimmt werden, wodurch eine zeit- und kostenintensive "Trial and Error" Prozessauslegung vermieden werden kann. In dieser Arbeit werden initial anhand einer experimentellen Umformstudie und Materialcharakterisierungen die Anforderungen an die Umformsimulation von teilkristallinen thermoplastischen UD-Tapes abgeleitet. Hierbei zeigt sich, dass ein thermomechanischer Ansatz, unter Berücksichtigung der raten- und temperaturabhängigen Materialeigenschaften, als auch der Kristallisationskinetik, erstrebenswert ist. Darauf aufbauend wird mit der kommerziellen Finite Elemente (FE) Software Abaqus, in Kombination mit mehreren sogenannten User-Subroutinen, ein entsprechender Simulationsansatz entwickelt. Zunächst werden hypo- und hyperelastischen Materialmodellierungsansätze untersucht, sowie ratenabhängige intra-ply Materialmodellierungsansätze vorgestellt. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf dem ratenabhängigen Biegeverhalten, da diese Materialeigenschaft üblicherweise nicht berücksichtigt wird, weshalb hierfür hypoviskoelastische Modellierungsansätze auf Basis eines nichtlinearen Voigt-Kelvin- sowie eines nichtlinearen generalisierten Maxwell-Ansatzes vorgestellt werden. Unter Anwendung dieser Ansätze zeigt sich im Vergleich mit experimentellen Umformergebnissen eine gute Übereinstimmung. Darüber hinaus wird ein Einfluss der ratenabhängigen Biegeeigenschaften auf die Vorhersage der Faltenbildung beobachtet. Im nächsten Schritt wird der Ansatz um eine "Discrete Kirchhoff Triangle" (DKT) Schalenformulierung erweitert, welche in Abaqus als User-Element implementiert ist. Dies ermöglicht im Gegensatz zu dem im vorherigen Kapitel vorgestellten Ansatz die hyperviskoelastische Modellierung des Membran- und des Biegeverhaltens. Darauf aufbauend werden ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-, sowie ein nichtlinearer generalisierter Maxwell-Ansatz, welcher auf einer multiplikativen Zerlegung des Deformationsgradienten basiert, vorgestellt. In der Umformsimulation zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Umformergebnissen. Darüber hinaus wird beobachtet, dass ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-Ansatz für die Modellierung des Membranverhaltens ausreichend ist. Neben intra-ply werden auch inter-ply Modellierungsansätze untersucht. Hierfür wird ein erweiterter Ansatz vorgestellt, der neben den üblicherweise berücksichtigten Zustandsgrößen Abgleitgeschwindigkeit und Transversaldruck auch die Relativorientierung zwischen den abgleitenden Schichten berücksichtigt. Bei der Anwendung dieses Ansatzes in der Umformsimulation werden jedoch nur geringe Unterschiede gegenüber einem herkömmlichen Ansatz beobachtet. Der präsentierte Ansatz für die Umformsimulation von thermoplastischen UD-Tapes wird final zu einem gekoppelten thermomechanischen Ansatz erweitert. Die entsprechende thermische Modellierung berücksichtigt Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung, sowie die Kristallisationskinetik, wobei das mechanische Verhalten über die Temperatur und die relative Kristallinität an das thermische Verhalten gekoppelt ist. Hiermit wird der Übergang vom schmelzflüssigen zum Festkörperzustand vorhergesagt und in der Modellierung des Umformverhaltens berücksichtigt. Hierdurch wird eine verbesserte Übereinstimmung mit den experimentellen Umformergebnissen erzielt und auch die lokale Temperaturentwicklung akkurat vorhergesagt. Darüber hinaus zeigt sich, dass bei einer ungünstigen Wahl der Prozessparameter eine starke Kristallisation schon während der Umformung auftritt. Da außerdem nur der thermomechanische Ansatz den Einfluss aller relevanten Prozessparameter berücksichtigen kann, wird geschlussfolgert, dass die Berücksichtigung thermischer Effekte sowie der Kristallisationskinetik vorteilhaft für die virtuelle Prozessauslegung nicht-isothermer Stempelumformverfahren mit teilkristallinen Thermoplasten ist.