Numerical prediction of curing and process-induced distortion of composite structures
Creators: name: Bernath, Alexander
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020
Subjects: numerical simulation
process simulation
lightweight material
epoxy
composite
fiber-reinforced material
process-induced distortion
finite element method
viscoelasticity
shrinkage
mold filling simulation
finite volume method
reaction kinetics
chemo-rheology
experimental characterization
numerische Simulation
Prozesssimulation
Leichtbau
Epoxidharz
Faserverbundwerkstoff
prozessinduzierter Bauteilverzug
Finite-Element-Methode
Viskoelastizität
chemische Schwindung
Formfüllsimulation
Finite-Volumen-Methode
Reaktionskinetik
Chemo-Rheologie
experimentelle Charakterisierung

description: Faser-Verbund-Werkstoffe ermöglichen Leichtbautragstrukturen, welche mit konventionellen Werkstoffen nicht umsetzbar sind. Deren Großserienfertigung ist allerdings auch heute noch eine große Herausforderung. Aufgrund des hohen Kostendrucks gilt dies insbesondere für den Automobilbau. Hinderlich wirken zum einen die hohen Materialkosten bei Verwendung von Kohlenstofffasern, und zum anderen die im Vergleich zu Stahlwerkstoffen lange Zykluszeit in der Bauteilfertigung. Eine Lösung für Letzteres stellen hochreaktive, schnellhärtende Matrixwerkstoffe in Verbindung mit modernen Harzinjektionsprozessen dar. Durch die schnelle Aushärtung können Zykluszeiten reduziert und die Wirtschaftlichkeit des Prozesses gesteigert werden. Die Beschleunigung der Prozessabläufe erschwert allerdings die Auslegung des Prozesses, da z.B. das mögliche Zeitfenster für die Realisierung der Formfüllung deutlich verkürzt wird. Die Findung einer optimalen Prozessführung erfordert unter diesen Bedingungen ein großes Erfahrungswissen. Dessen Generierung wird durch das Ablaufen des Prozesses innerhalb des geschlossenen Werkzeugs, und damit im Verborgenen, gehemmt. An dieser Stelle greift die Prozesssimlation an, welche einen detaillierten Einblick in die Abläufe der einzelnen Prozessschritte ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit wird daher der Aushärteprozess des Matrixwerkstoffs mithilfe von Strömungs- und Struktursimulationen begleitet. Neben der Entwicklung von geeigneten Materialmodellen, wird auch die Ermittlung von notwendigen Kennwerten vorgestellt. Der Einfluss der Aushärtung beginnt mit dem Vermischen der Harzkomponenten am Anguss des Injektionswerkzeugs. Von diesem Zeitpunkt an ergibt sich die für das Fließverhalten der Matrix charakteristische Viskosität aus der wirkenden Temperatur und dem erreichten Aushärtegrad. Die akkurate experimentelle Charakterisierung dieses wichtigen Zusammenhangs ist eine Grundvoraussetzung für aussagekräftige Simulationsergebnisse. Die hohe Reaktivität der verwendeten schnellhärtenden Harze fordert allerdings etablierte Methoden heraus. Durch deren Trägheit ist eine zuverlässige Messung der Viskosität während des für die Formfüllung wichtigen Zeitfensters erschwert. Um dieses Problem zu lösen, wird eine automatisierte Lösung zur Herstellung sowie Einbringung von Proben in ein Rheometer entwickelt. Hierdurch kann ein Großteil des prozessrelevanten Zeitfensters in der anschließenden Messung erfasst werden. Da diese Daten für die Parametrierung von Viskositätsmodellen herangezogen werden, ergibt sich ein großes Fehlerpotential, wenn unzureichende Informationen zum Verlauf der Viskosität während der Dauer der Formfüllung vorliegen. Dies wird in der vorliegenden Arbeit mittels Formfüllsimulationen einer komplexen Unterbodenstruktur demonstriert, welche einen signifikanten Einfluss auf den Verlauf und die Höhe des Kavitätsdrucks aufzeigen. Diese Erkenntnis ist daher insbesondere für die Simulation von druckgeregelten Prozessen, wie z.B. Pressure-Controlled Resin Transfer Molding (PC-RTM), von großer Wichtigkeit. Im weiteren Verlauf der Aushärtung findet ein Übergang der Matrix von einem Fluid zu einem Feststoff statt. Dieser Zeitpunkt wird durch den Gelpunkt definiert. Ist dieser überschritten, ist der Werkstoff in der Lage Kräfte zu ertragen. Daher führen prozessinduzierte Dehnungen, aufgrund von chemischer Schwindung oder Temperaturänderung, ab diesem Zeitpunkt zu Eigenspannungen. Nach Entformung des Bauteils führen diese schließlich zu Gestaltsabweichungen, welche die Maßhaltigkeit negativ beeinflussen und somit zu erhöhtem Ausschuss führen können. Die Vorhersage des Bauteilverzugs mithilfe von Simulation ist daher eine wichtige Voraussetzung, um dies zukünftig, bspw. durch eine Anpassung der Werkzeuggeometrie, zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit werden die zugrundeliegenden Mechanismen und deren Wechselwirkung mit Prozessrandbedingungen analysiert. Für die numerische Berechnung des Verzugs werden zudem elastische sowie viskoelastische Materialmodelle parametriert und in Form von Subroutinen implementiert. Die Ergebnisse werden anhand von L-Winkel-Proben experimentell validiert. Zusätzlich wird auch hier wieder die komplexe Unterbodenstruktur als praxisrelevantes Anwendungsbeispiel herangezogen. Eine gute Übereinstimmung zwischen Versuch und Simulation wird dabei immer dann erzielt, wenn die Entformung der Bauteile ohne das Aufbringen von nennenswerten Kräften möglich ist. Ist dies nicht vermeidbar, ergeben sich zum Teil große Abweichungen, welche zudem vom Laminataufbau abhängen. Hier gilt es zukünftig anzusetzen, um sowohl die Prognosegüte als auch die Zuverlässigkeit der Prozesssimulation weiter zu erhöhen.