Modelling and Simulation of the Closed Injection Pultrusion Process

Pultrusion ist eine etablierte Herstellungstechnik für die Produktion faserverstärkter Kunststoffprofile. Der Prozess ist durch einen relativ hohen Automatisierungsgrad und geringe Investitions- und Betriebskosten im Vergleich zu den meisten anderen Herstellungstechniken für Faserverbundbauteile gekennzeichnet. Als Standard-Variante wird ein offener, mit flüssigem Harz gefüllten Behälter für die Tränkung der Faserverstärkungsmaterialien eingesetzt. Die Verschärfung von Gesetzen zum Schutz von Mitarbeitern am Arbeitsplatz, die Einführung neuer Harzsysteme mit kurzer Topfzeit (z.B. ... mehrPolyurethane), sowie gestiegene Qualitätsanforderungen für neue Anwendungen (z.B. im Fahrzeugbau) haben einen Trend eingeleitet, der die Pultrusionstechnologie signifikant verändern soll. Die Auslegung von Pultrusionswerkzeugen mit integrierten bzw. zusammengebauten Werkzeugkavitäten, in die Harz eingespritzt wird, das die Verstärkungsstrukturen unmittelbar vor der Aushärtung tränkt, soll die offene Tränkungstechnik ersetzen.

In dieser Dissertation werden Simulationstechniken eingesetzt, um Erkenntnisse bzw. ein besseres Verständnis über die physikalischen Prozesse bei der Pultrusion mit geschlossenen Harzeinspritzung und Imprägnierung zu gewinnen: das Fließen vom flüssigen Harz durch ein komprimiertes Faserpaket, Wärmeübertragung zwischen Material und Werkzeug, und die Aushärtung (verbunden mit Änderungen im Materialzustand und Wärmegenerierung durch die exothermische Reaktion). Um diese Prozesse zu untersuchen, werden Materialkennwerte des Harzsystems (Reaktionskinetik und Veränderung der Viskosität während der Aushärtung) und Faserstrukturen (Kompressibilität und Permeabilität) experimentell ermittelt. Ein geometrisches Modell des Werkzeugs und entsprechende Randbedingungen werden in eine kommerzielle Software numerischer Strömungsmechanik (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD) eingepflegt und der Prozess wird simuliert. Ein auf die finite Differenzmethode basiertes Simulationsprogramm wurde entwickelt, um das CFD-Modell zu ergänzen. Die Simulation liefert Druck-, Temperatur-, Viskositäts- und Aushärtegradfelder in der Kavität. Simulationsergebnisse werden mit Prozessparametern aus experimentellen Versuchen abgeglichen, um das Modell zu validieren. Geometrische Details werden parametrisiert, um den Einfluss auf die Prozessbedingungen zu evaluieren.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der in dieser Arbeit verfolgte ganzheitliche Ansatz, d.h. die Kopplung eines thermochemischen Modells und des Strömungsmodells, zum Erzielen realitätsnahen Vorhersagen, zumindest für hochreaktive Harzsysteme erforderlich ist. Eine Modellerweiterung, welche die Ausdehnung der Werkzeugkavität berücksichtigt, wäre hingegen für eine bessere Vorhersage des Druckanstiegs notwendig. Weiterhin, wäre für bestimmten Werkzeuggeometrien, Materialsystem bzw. Prozessfenster ein transienter Ansatz für eine realitätsnahe Vorhersage und für die Evaluierung der Prozessstabilität sinnvoll.

Pultrusion is a mature processing technology for producing fiber reinforced composite profiles. The process is characterized by a relatively high level of automation at low investment and production costs in comparison to most other processing methods for composite parts. In a standard open bath pultrusion setup, an open tank filled with liquid resin is employed to wet the fiber reinforcement materials. Current technology and regulatory developments have started a trend that is expected to radically change the pultrusion industry state of the art in the long term. Examples include the tightening of working place regulations, the introduction of new resins of relatively short pot life (e.g. ... mehrpolyurethanes) to the pultrusion market, as well as the requirements of new applications with higher product quality demands (e.g. in the automotive sector). The design of pultrusion molds with integrated or attached cavities into which the resin is injected and thus impregnates the fiber reinforcements immediately before curing is foreseen to replace the open bath method.

In this thesis, simulation techniques are employed to get insight and a better understanding for the physical processes taking place within pultrusion molds with closed resin injection and impregnation: resin flow through the fiber stack while this is being compacted, heat transfer between material and mold, and resin curing reaction (coupled with changes in material state and release of exothermic reaction heat). To investigate these phenomena, material parameters of resin (curing kinetics and development of viscosity throughout curing) and fiber reinforcement (compressibility and permeability) are experimentally determined. The material parameters, a geometrical model of the pultrusion mold and suitable boundary conditions are used as the input for the numerical simulation conducted within a Computational Fluid Dynamics commercial software and complemented by an in-house Finite Difference code. The simulation calculates pressure, temperature, viscosity and degree of cure distributions within the mold cavity. Simulation results are compared to experimental processing conditions to validate the simulation model. Design details and process parameters are then varied and their impact on processing conditions is analyzed.

The simulation results have shown that the holistic approach pursued in this work, i.e. the coupling of thermo-chemical and flow models is needed for obtaining accurate predictions for the case of a fast reacting resin system. On the other hand, an expansion of the simulation models to account for mold body deformation would be necessary to improve the pressure rise prediction. Furthermore, depending on the cavity design, resin system and processing conditions, transient simulations would be needed for a better prediction and evaluation of process stability.