Mesoscale simulation of the mold filling process of Sheet Molding Compound
Creators: name: Meyer, Nils
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Sheet Molding Compound
process simulation
direct bundle simulation
mesoscale simulation
finite element analysis
virtual process chain
lightweight design

description: Sheet Molding Compounds (SMC) sind diskontinuierlich faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Verbundbauteile mit langen Fasern zu geringen Kosten zu realisieren, weit verbreitet sind. Sie ermöglichen Funktionsintegration, wie etwa den Einsatz von Rippen oder metallischen Einsätzen, und können mit kontinuierlichen Kohlenstofffasern gemeinsam verarbeitet werden, um die Formbarkeit von SMC mit den überlegenen mechanischen Eigenschaften von kontinuierlichen Fasern zu kombinieren. Das Streben nach hochintegrierten und komplexeren SMC-Bauteilen erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Verarbeitungsmechanismen und deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Bauteils. Prozesssimulationen adressieren diesen Punkt, indem sie mögliche Fertigungsfehler und Prozess- parameter vorhersagen. Diese Ergebnisse können nicht nur zur Prozessauslegung und zur Reduzierung von Trial-and-Error-Phasen genutzt werden, sondern auch für die anschließende Struktursimulation durch eine virtuelle Prozesskette. In dieser Arbeit wird die Prozesssimulation von SMC zunächst mit einem makroskopischen Referenzmodell auf Basis von Faserorientierungstensoren adressiert. Dies entspricht dem Stand der Forschung, aber die zugrundeliegenden Annahmen von geraden Fasern, die viel kürzer als jedes geometrische Merkmal sind, werden in anspruchsvollen SMC-Anwendungen oft verletzt. Dies führt zu der Hypothese, dass eine direkte Simulation einzelner Faserbündel erforderlich ist, um den SMC-Formfüllprozess komplexer Geometrien genau zu beschreiben. Basierend auf dieser Hypothese wird eine neuartige direkte Bündelsimulationsmethode (DBS) vorgeschlagen, die eine direkte Simulation auf Komponentenebene ermöglicht und dabei die Beobachtung nutzt, dass Faserbündel während des SMC Fließpressens oft in einer gebündelten Konfiguration verbleiben. Das entwickelte DBS Modell kann mit Patches kombiniert werden, um den Co-Molding-Prozess von SMC mit kontinuierlichen Faserverstärkungen zu simulieren. Daher wird ein Modell zur Beschreibung des Materialverhaltens von unidirektionalen Kohlenstofffaser-Patches einschließlich eines einfachen Schädigungsmodells zur Vorhersage von Defekten entwickelt. Die Parameter des makroskopischen Referenzmodells, des DBS-Modells und des Patch-Modells werden experimentell bestimmt. Dazu gehören die thermischen Eigenschaften des SMCs, die temperaturabhängige und ratenabhängige Viskosität der SMC-Paste, die Reibung an der Werkzeugwand sowie die Kompressibilität des SMCs. Ebenso werden die temperaturabhängigen und ratenabhängigen mechanischen Eigenschaften der Patches bestimmt, die jedoch große Streuungen zwischen den Proben und Chargen aufweisen. Schließlich werden die Modelle auf mehrere Validierungsfälle angewandt, um die Anwendbarkeit auf Komponentenebene zu bewerten. Die Beispiele zeigen eine gegenüber dem makroskopische Referenzmodell verbesserte Vorhersage der Faserarchitektur, insbesondere der Faserorientierung in der Nähe von Werkzeugwänden sowie der Vorhersage von Bindenähten und Fließmarken. Zusätzlich bietet das DBS Modell die Option, Krümmungen der Bündel vorherzusagen und den Faservolumenanteil zu berechnen, welche durch Mikro-Computertomographie, thermisch gravimetrische Analysen und Durchleuchtungsbilder validiert werden.