Entwicklung einer Methodik zur Analyse und Vorhersage des mechanischen Verhaltens polymerer Hartschäume im RTM-Prozess
Creators: name: Gerstenkorn, Jens
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: RTM
Resin Transfer Moulding
Faserverbundwerkstoffe
Faserverbundkunststoffe
CFK
kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
Leichtbau
Sandwichstrukturen
polymerer Hartschaum

description: Nachhaltiger Leichtbau stellt in der Automobilindustrie eine Schlüsseltechnologie zur Erreichung zukünftiger CO2-Emissionsziele dar. So werden neben Metallen wie Stahl und Aluminium auch Faserverbundkunststoffe eingesetzt. Mit Hilfe einer von Audi entwickelten Prozessvariante des Hochdruck Resin Transfer Moulding, dem sogenannten Audi ultra RTM-Prozess, können die im Prozess entstehenden Werkzeuginnendrücke im Vergleich zum klassischen RTM-Prozess und zur RTM-Verfahrensvariante mit Spaltinjektion signifikant gesenkt werden. Eine geregelte Begrenzung des Werkzeuginnendrucks ermöglicht zudem die Integration von leichten, geschlossenzelligen polymeren Hartschaumkernen zur Herstellung von leistungsfähigen Sandwichstrukturen. Die im Prozess auf den Kern einwirkenden thermischen und mechanischen Belastungen führen zu einer Verformung, die eine Änderung des lokalen Faservolumengehalts nach sich zieht. Dies wirkt sich sowohl auf die benötigte Menge an Matrixmaterial als auch auf das Formfüllverhalten aus. Das Erreichen der Einsatzgrenze des Kernmaterials im Prozess führt zu Kernversagen, was letztendlich in einem Ausschussbauteil resultiert. Eine Methode zur Untersuchung des Verhaltens und Ermittlung der Einsatzgrenze der Materialien im Prozess ist nicht bekannt. Kosten- und zeitintensive Bauteilabmusterungen zur Prozessoptimierung sind die Folge. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik, mit der das Verhalten potenzieller Kernmaterialien unter Prozessbedingungen systematisch untersucht und deren Einsatzgrenze bestimmt werden kann. Zudem soll durch ein Simulationsmodell die Einbindung des Strukturverhaltens der Kerne in die RTM-Formfüllsimulation ermöglicht werden. Hierfür wird im Rahmen einer Materialuntersuchung zunächst die Eignung ausgewählter Kernmaterialien für die Großserie dargestellt. Anschließend wird die Struktur der Kernmaterialien makro- und mikroskopisch analysiert. Im Weiteren werden die im Prozess auftretenden Belastungen und Rahmenbedingungen experimentell ermittelt und ein Zusammenhang zwischen dem Werkzeuginnendruck und dem Verformungs- und Versagensverhalten des Kerns hergestellt. Neben wichtigen Kenngrößen bezüglich Fluideigenschaften, Belastungsart und Belastungsdauer werden im Rahmen der Prozessanalyse auch die thermischen Randbedingungen ermittelt, die der prozessorientierten Charakterisierung der Hartschaumstoffe zu Grunde liegen. Diese umfasst die systematische Untersuchung des Aufheizverhaltens sowie des Verformungsverhaltens unter Druck der betrachteten Materialien. Das Versagensverhalten unter den im RTM-Prozess vorherrschenden Rahmenbedingungen kann durch bekannte Prüfmethoden nicht abgebildet werden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, den Einfluss verschiedener prozessrelevanter Faktoren auf das Versagensverhalten der Kernmaterialien separat zu untersuchen. Die experimentell ermittelten Daten bilden die Basis zur Simulation des Verformungsverhaltens der Hartschaumstoffe unter Prozessbedingungen. Hierfür wird ein hyperelastisches Materialmodell ausgewählt, das das nicht-lineare Verhalten des Hartschaums unter Druck im relevanten Verformungsbereich hinreichend genau abbildet, und erweitert, um viskoelastische Effekte berücksichtigen zu können. Am Ende dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie das verwendete Materialmodell in die virtuelle Prozesskette integriert werden kann, um das Formfüllverhalten von Faserverbundbauteilen mit Sandwichkern im RTM-Prozess vorhersagen zu können.