Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers
Creators: name: Poppe, Christian Timo
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Thermoset
Simulation
CoFRP
Process simulation
Abaqus
Finite element analysis
FEM
Continuum mechanics
Draping simulation
Viscoelasticity
Virtual process chain
Lightweight
Wet compression moulding (WCM)
Resin Transfer Moulding (RTM)
User element

description: Entwicklungsansätze für den systemeffizienten Leichtbau vereinen Werkstoff-, Prozess- und Methodenverständnis. Dies gilt im Besonderen für endlosfaserverstärkte Kunststoffe (FVK), die hohe gewichtsspezifische Materialeigenschaften bieten und lastpfadoptimierte Konstruktionen ermöglichen. Diese Dissertation widmet sich dem Verständnis und der Modellierung der Nasspresstechnologie, um die Groß-serienproduktion von endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen zu unterstützen. Nasspressen kombiniert gleichzeitiges Drapieren und Infiltrieren während der Verarbeitung, was vergleichsweise geringe Werkzeuginnendrücke (&lt; 20 bar) und Zykluszeiten (&lt; 3 min) ermöglicht. Der erste Teil dieser Arbeit (siehe Kapitel 2) fokussiert sich auf eine systematische Analyse der relevanten, physikalischen Prozessmechanismen. Versuche mit einem transparenten Werkzeug ermöglichen eine in-situ-Visualisierung des Fließfrontverlaufs während der Formgebung. Die Versuche verdeutlichen die starke Wechselwirkung zwischen Drapierung und Infiltration während der Verarbeitung. Diese Wechselwirkung wird durch herkömmliche, sequenzielle Modellierungsansätze nicht erfasst. Der zweite Teil (siehe Kapitel 3) widmet sich der Bewertung des Einflusses der niedrigviskosen Infiltration auf relevante Deformationsmechanismen. Hierzu werden neuartige und modifizierte Prüfstände verwendet, um das trockene und infiltrierte Membran-, Biege-, Kompaktierungs- und Kontaktverhalten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Infiltration mit einer niedrigviskosen Matrix die Reibung zwischen und innerhalb der Rovings signifikant verringert, was direkt auch die Scherfestigkeit, Biegesteifigkeit und tangentiale Kontaktspannungen reduziert. Die verbesserte Drapierbarkeit ermöglicht komplexere Bauteilgeometrien. Jedoch induziert die Infiltration auch eine Ratenabhängigkeit, die die Umformbarkeit des Textiles bei höheren Viskositäten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten gleichermaßen verschlechtern kann. Die Relevanz dieser experimentellen Erkenntnisse für die Prozessmodellierung werden anhand von Modellen bewertet und abschließend an einem komplexen Demonstrator validiert. Simulationen zeigen, die Infiltration sollte bei der Beschreibung des Membran- und Biegeverhaltens berücksichtigt werden. Die Kompaktierung ist zudem für eine genaue Vorhersage des lokalen Faservolumengehalts entscheidend. Demgegenüber ist eine herkömmliche Kontaktmodellierung zwischen Halbzeug und Werkzeug ausreichend, da nur relativ geringe Spannungen auftreten. Im dritten Teil dieser Arbeit (vgl. Kapitel 4) wird ein monolithischer Simulationsansatz für die kombinierte Textilumformung und Harzinfiltration entwickelt, der auf der Äquivalenz des Fourierschen Gesetzes für die Wärmeleitung und des Richardschen Gesetzes für die Durchströmung eines porösen Mediums beruht. Das Prozessmodell basiert auf überlagerten finiten Elementen zur Beschreibung der Einzelschicht. Die Verwendung von Kontinuumsschalen ermöglicht eine Berücksichtigung der Kompaktierung während der Umformung. Ein entwickeltes Fluid-Element (User-Element) beschreibt die dreidimensionale Harzausbreitung unter Berücksichtigung des aktuellen Verformungszustandes und der Faserorientierung. Auf diese Weise wird eine vollständig gekoppelte Analyse in \textsc{Abaqus} für eine gemeinsame explizit formulierte Lösung von Verformungs- und Druckfeld genutzt. Der experimentelle Vergleich zeigt eine gute Vorhersagegüte. Die inhärente Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) im Nasspressen kann zu unerwünschten Prozessdefekten wie strömungsinduzierter Faserverschiebung (eng: FiFD) führen. Dies kann negative Auswirkungen auf Infiltration und strukturellen Eigenschaften des fertigen Bauteils haben. Im letzten Kapitel der Arbeit wird die numerische Vorhersage von FiFD untersucht (siehe Kapitel 5). Zu diesem Zweck wird ein beidseitige FSI implementiert und validiert. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigt eine gute Vorhersagegüte von FiFD während der viskosen Kompaktierung. Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstützen eine frühzeitige zeit- und kosteneffiziente Prozess- und Produktgestaltung. Die Ergebnisse verdeutlichen die Anwendbarkeit und Validität der entwickelten Methoden. Sie zeigen aber gleichermaßen wichtige Forschungs- und Implementierungsfelder wie Wärmetransport und Aushärtung auf.