Fiber-dependent injection molding simulation of discontinuous reinforced polymers
Creators: name: Wittemann, Florian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: injection molding
injection molding simulation
process simulation
reinforced polymers
fibers
fiber breakage
thermosets
thermoset materials
anisotropic flow
flow modeling
fiber forces

description: Diese Arbeit präsentiert neuartige Simulationstechniken für Spritzgusssimulationen mit faserverstärkten Polymeren (FRPs). Spritzguss ist einer der meistverbreiteten Prozesse zur Massenproduktion von diskontinuierlich faserverstärkten Polymerbauteilen. Die Prozessparameter (Füllrate, Temperatur, etc.) beeinflussen die Bauteileigenschaften signifikant. Für eine adäquate Vorhersage der finalen Bauteileigenschaften muss eine Simulation alle Prozessschritte (Formfüllung, Nachdruck, Abkühl-/Aushärtungsphase, Abkühlung außerhalb des Werkzeuges) beinhalten. Während der Formfüllung hat die Strömungsmodellierung oberste Priorität. Das komplexe Matrixverhalten muss unter Beachtung von Scherrate, Temperatur und, falls vorhanden, chemischer Reaktion modelliert werden. Die sich ausprägende Faserorientierung, die von Strömungsfeld, Faserlänge und Volumengehalt abhängt, sollte aus zwei Gründen berechnet werden. Einer ist das Ausprägen von anisotropen Material- und somit auch Bauteileigenschaften aufgrund der Fasern. Zudem rufen die Fasern auch während der Formfüllung anisotropes Verhalten im flüssigen Material hervor. Auch die Faserlänge beeinflusst das mechanische und Fließverhalten des Materials und wird im Umkehrschluss durch das Strömungsfeld während der Formfüllung beeinflusst. Die Faserlänge hat großen Einfluss auf die Schlagzähigkeit des Bauteils, aber auch auf die effektive Viskosität in Faserrichtung im flüssigen Material. Umgekehrt erzeugt das Strömungsfeld aber auch Kräfte auf die Fasern, die diese zum Brechen bringen können. Stand der Technik Simulationen beachten den Einfluss der Faserorientierung und -länge auf das Strömungsfeld nicht. Diese Arbeit präsentiert einen neuartigen Ansatz, in welchem Viskosität, Faserorientierung, Faserlänge und Geschwindigkeit gekoppelt sind. Zur Berücksichtigung der Fasereigenschaften in der Viskositätsmodellierung und somit auch in der Geschwindigkeit wird die Viskosität als Tensor vierter Stufe, der als Funktion von Matrixviskosität, Faserorientierung, -länge und -volumengehalt definiert ist, modelliert. Der Viskositätstensor wird für eine homogenisierte Matrix-Faser-Suspension auf Basis von mikromechanischen Modellen berechnet. Für die Modellierung des Faserbruchs werden die hydrodynamischen Schlepp- und Auftriebskräfte beachtet. Zusätzlich werden makroskopische Ansätze zur Berechnung der Faser-Faser Interaktionskräfte (Schmier- und Reibkraft) gezeigt und verifiziert. Neben der Formfüllung beeinflussen die weiteren Prozessschritte Nachdruck, Abkühl-/Aushärtungsphase und Abkühlung außerhalb des Werkzeuges ebenfalls die Bauteileigenschaften. Durch das anisotrop visko-elastische Verhalten können Verzug und Eigenspannungen aufkommen. Stand der Technik Software simuliert diese Phänomene in der Regel anisotrop mit linear elastischen Modellen. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen für FRPs mit duromerer Matrix und thermo-visko-elastischen Modellen. Relevante Prozessdaten wie Faserorientierung, Temperatur und Aushärtungsgrad werden übertragen um diese in der Verzugssimulation mit zu betrachten. Faser- und Matrixeigenschaften werden zur Homogenisierung verwendet und unter Beachtung der Faserorientierung wird ein orthotropes Material definiert. Das Matrixverhalten wird als Funktion von Aushärtungsgrad und der Temperatur modelliert. Zusätzlich werden thermische und chemische Schwindung beachtet. Die vorgestellten Methoden sind für Formfüllsimulationen in der open-source, finite Volumen basierten Software OpenFOAM und für die Verzugsanalyse in die kommerziellen finiten Elemente basierten Software Simulia Abaqus implementiert. Numerische Studien verifizieren die Implementierung und Methoden. Die Formfüllsimulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen, was die neu entwickelten Ansätze validiert.