Mold-filling Simulation of Resin Transfer Molding with Fluid-Structure Interaction
Creators: name: Seuffert, Julian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Resin Transfer Molding
process simulation
mold-filling simulation
Fluid-Structure Interaction (FSI)
sandwich material
lightweight design
fiber reinforced plastics (FRP)

description: Das Resin Transfer Molding (RTM) Verfahren ist ein vielversprechender Prozess für die Großserienfertigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen. Um die spezifische Steifigkeit der Strukturbauteile zu erhöhen, können zusätzliche Polymerschaumkerne zwischen den Verstärkungslagen eingebettet werden. Das RTM-Verfahren ermöglicht die intrinsische Herstellung dieser Sandwichbauteile, die sehr hohe spezifische mechanische Eigenschaften aufweisen. Beim Prozessschritt der Formfüllung wird ein flüssiges Polymerharz in eine geschlossene Form injiziert und infiltriert das poröse Halbzeug. Der Druck im Inneren der Form steigt jedoch aufgrund der Widerstandskraft der Fasern gegenüber dem Harzfluss an. Dies führt zu einer Kompression des eingebetteten Schaumkerns. Die Kompression des Schaumkerns führt außerdem zu einer Vergrößerung des Kavitätvolumens und damit zu einem höheren Bauteilgewicht und einem geringeren Faservolumengehalt. Da der Harzfluss stark vom Faservolumengehalt abhängt, führt dies außerdem zu einem veränderten Formfüllungsverhalten. In dieser Arbeit wird eine numerische Methode für die Formfüllung entwickelt, die es ermöglicht, die Wechselbeziehung zwischen Harzfluss und Schaumkernverformung zu analysieren. Die Entwicklungen in dieser Arbeit basieren auf einer Finite-Volumen (FV)-Diskretisierung in Kombination mit einer Volume-of-Fluid (VoF)-Methode für die Zweiphasenströmung bestehend aus flüssigem Harz und Luft, die in der Open-Source-Bibliothek OpenFOAM\textsuperscript{\textregistered} implementiert ist. Zunächst wird eine einseitige Kopplung entwickelt, um den Einfluss einer vorgegebenen Werkzeugverformung auf den Formfüllprozess zu modellieren, wobei die sich verändernde Kavität mit einem dynamischen Netz erfasst wird. Mit diesem ersten Schritt ist es möglich, Compression Resin Transfer Molding (C-RTM) und Pressure-Controlled Resin Transfer Molding (PC-RTM) zu simulieren, bei denen die Höhe der Kavität während der Formfüllung nicht konstant ist. Im nächsten Schritt wird eine Methode zur Beschreibung der porösen Strukturmechanik entwickelt, um die Verformung des Halbzeugs während der Infiltration zu modellieren. Der Ansatz basiert auf dem Terzaghi-Prinzip der effektiven Spannung und verwendet eine inkrementelle FV-Formulierung für große Dehnungen. Die Kopplung zwischen Harzfluss, Halbzeugkompaktierung und Schaumkernkompression wird mit einem partitionierten Fluid-Struktur-Interaktions-Ansatz (FSI) modelliert, der mit der generalisierten Open-Source-Schnittstelle preCICE realisiert wird. Die Simulationsmethoden werden in mehreren Schritten verifiziert und zeigen stets eine sehr gute Übereinstimmung mit analytischen Lösungen. Eine numerische Sensitivitätsstudie auf Bauteilskala zeigt den starken Einfluss eines eingebetteten Schaumkerns auf den Formfülldruck und auf die Ausbreitung der Fließfront, was mit herkömmlichen Formfüllsimulationen nicht vorhergesagt werden kann. Dies bestätigt die Notwendigkeit der Verwendung gekoppelter Simulationen für die Formfüllung bei RTM mit eingebetteten Schaumkernen. Zur Validierung der FSI-Methode werden Sandwichbauteile im RTM-Verfahren hergestellt. Dazu werden experimentelle Messungen durchgeführt, um die an der Validierung beteiligten Materialien zu charakterisieren. Die mechanische Charakterisierung des Polymerschaumkerns wird für verschiedene Schaumdichten und bei unterschiedlichen isothermen Temperaturen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine starke Abnahme des Kompressionsmoduls mit abnehmender Dichte und steigender Temperatur. Die Validierungssimulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem vorhergesagten Druckniveau. Mit dem validierten Modell ist es möglich, die Formfüllzeit und weitere Parameter wie z.B. die Pressenkraft genauer vorherzusagen. Eine weitere Steigerung der Genauigkeit wird erwartet, wenn die Temperatur innerhalb der Form mit einer erweiterten Methode für den Wärmeübergang innerhalb und zwischen den beteiligten Materialien modelliert wird.