Der großindustrielle Einsatz von langfaserverstärkten Kunststoffen in strukturell tragenden Strukturen steht aufgrund der komplexen Abhängigkeit des Eigenschaftsprofils von den gewählten Herstellungsrandbedingungen noch immer am Anfang.
Während der Herstellung können sich die Fasern innerhalb der Polymermatrix, aufgrund von unterschiedlichen Wechselwirkungen umorientieren. Darüber hinaus kann es während der Formfüllung von komplexen Strukturbereichen zu einer Faser-Matrix-Separation (FMS) kommen. Eine zuverlässige Vorhersage des Bauteilverhaltens kann daher nur erreicht werden, wenn technologische Einflüsse aus der gesamten Historie des Herstellungsprozesses berücksichtigt werden.
Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit einer vollständig durchgängigen virtuellen Prozesskette am Beispiel eines glasfaserverstärkten SMC-Werkstoffs entwickelt und anhand unterschiedlicher Kriterien bewertet. Aufgrund der großen Auswahl an unterschiedlichen Lösungsansätzen zur Umsetzung einer integrativen Simulationskette besteht aktuell noch eine große Unsicherheit bei der Nutzung und Anwendung der unterschiedlichen Tools. Dahingehend soll diese Arbeit dem Anwender eine Entscheidungshilfe geben, indem die vorgestellten Modelle anhand von zwei unterschiedlichen komplexen Bauteilformen mittels unterschiedlicher Kriterien sowohl in der Abschätzung der Herstellungsgenauigkeit als auch in der mechanischen Auslegung mittels einer integrativen Simulation getestet und verglichen werden.:1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Zielsetzung
2 Stand der Forschung
2.1 Sheet Moulding Compound
2.1.1 Definition und Charakteristika
2.1.2 Verarbeitung von SMC-Halbzeugen
2.2 Prozessinduzierte Eigenschaftsverteilung bei SMC-Werkstoffen
2.2.1 Faser-Suspensions-Regionen
2.2.2 Faserorientierungsverteilung
2.2.3 Faser-Matrix-Verteilung
2.2.4 Einfluss der Fasertopologie auf die mechanischen Eigenschaften von SMC-Werkstoffen
3 Integrative Simulation von langfaserverstärkten Pressmassen
3.1 Fließpresssimulation SMC
3.1.1 Grundlagen der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung
3.1.2 Überblick Prozesssimulationsmethoden
3.1.3 Tensorbasierte Ansätze
3.1.4 Direktmodellierte Ansätze
3.2 Mappingverfahren für integrative Simulation
3.3 Struktursimulation für SMC-Werkstoffe
3.3.1 Grundlagen der Struktursimulation
3.3.2 Übersicht verwendeter Homogenisierungsansätze
3.3.3 Effektive-Feld-Theorie
3.3.4 Festigkeits- und Versagenskriterien
4 Materialcharakterisierung von SMC
4.1 Materialauswahl und Probenherstellung
4.1.1 Materialsystem
4.1.2 Probenherstellung
4.1.3 Bewertung der Pressprofile zur Probenherstellung
4.2 Ermittlung der prozesstechnischen Parameter
4.2.1 Dichte und thermische Eigenschaften
4.2.2 Rheologische Eigenschaften
4.2.3 Faser-Interaktionskoeffizienten
4.2.4 Mechanische Faserkennwerte
4.3 Analyse der Faserverteilung und -architektur
4.3.1 Präparation der Prüfkörper
4.3.2 Analyse des Faservolumengehalts
4.3.3 Analyse der Faserarchitektur
4.3.4 In-Situ CT-Analyse
4.4 Werkstoffmechanische Charakterisierung
4.4.1 Harzpaste
4.4.2 Zugversuch
4.4.3 Biegeversuch
4.4.4 Validierungstest auf Komponentenebene – Punchtest
4.4.5 Validierungstest auf Komponentenebene – Wabendrucktest
5 Ergebnisse der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung
5.1 Kriterien zur Bewertung der SMC-Prozesssimulation
5.1.1 Annahmen
5.1.2 Bewertungskriterien
5.2 Prozesssimulation der Plattengeometrie
5.2.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung
5.2.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung
5.2.3 Kinematisches Modell
5.2.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung
5.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung
5.2.6 Bewertung und Vergleich
5.3 Prozesssimulation der Wabengeometrie
5.3.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung
5.3.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung
5.3.3 Kinematisches Modell
5.3.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung
5.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung
5.3.6 Bewertung und Vergleich
6 Integrative Struktursimulation für die SMC-Verarbeitung
6.1 Numerische Methoden – Annahmen und Modellbeschreibung
6.2 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Grundlagenversuche
6.2.1 CT-basierter Ansatz
6.2.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung
6.2.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung
6.2.4 Kinematisches Modell
6.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung
6.2.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten
6.2.7 Bewertung und Vergleich der Grundlagenversuche
6.3 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Wabendruckversuche
6.3.1 CT-basierter Ansatz
6.3.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung
6.3.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung
6.3.4 Kinematisches Modell
6.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung
6.3.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten
6.3.7 Bewertung und Vergleich der Wabendruckversuche
6.4 Fazit ganzheitlich integrativer Simulationsansätze für die SMC-Verarbeitung
7 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
A Anhang
A.1 Darstellung Faserorientierungszustände
A.2 Analytische Lösung Eshelby Tensor
A.3 Rekonstruktion des Faserorientierungstensors 4. Ordnung
A.4 Übersicht Herstellungsbedingungen der SMC- und Reinharzprüfkörper
A.5 Pressenverläufe der Wabenherstellung
A.6 Reaktionsmodell SMC
A.7 FVG Ergebnisse aus CT-Analyse der Wabenkonfiguration A und B
A.8 Auswertung FOT Prozesssimulation UT30 und UT90
A.9 Herleitung Hele-Shaw-Ansatz
A.10 Auswertung FVG der Wabenkonfiguration A und B – feines Netz
A.10.1 Tensorbasiertes Modell
A.10.2 Kinematisches Modell
A.10.3 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung
A.11 Auswertung Steifigkeit und Festigkeit – Grundlagenversuche
A.12 Darstellung Kraft-Weg- und Energie-Weg-Verläufe – Wabendruckversuche
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87664 |
| Date | 26 October 2023 |
| Creators | Wehler, Simon |
| Contributors | Gude, Maik, Stommel, Markus, Technische Universität Dresden |
| Publisher | Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-715610, qucosa:71561 |
Page generated in 0.0026 seconds