Abstract:
Einer der entscheidendsten Prozessschritte bei der Herstellung von kontinuierlich faserverstärkten Kunstoffen ist die Umformung von zweidimensionalen Halbzeugen in komplexe Geometrien. Hierbei spielt das nicht-isotherme Stempelumformverfahren von unidirektional (UD) faserverstärkten thermoplastischen Tape-Laminaten aufgrund geringer Zykluszeiten, Materialeffizienz und Recyclingfähigkeit insbesondere in der Automobilindustrie eine immer größer werdende Rolle. Durch die Umformsimulation kann die Herstellbarkeit einer bestimmten Geometrie virtuell abgesichert und hierfür notwendige Prozessparameter bestimmt werden, wodurch eine zeit- und kostenintensive "Trial and Error" Prozessauslegung vermieden werden kann.
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In dieser Arbeit werden initial anhand einer experimentellen Umformstudie und Materialcharakterisierungen die Anforderungen an die Umformsimulation von teilkristallinen thermoplastischen UD-Tapes abgeleitet. Hierbei zeigt sich, dass ein thermomechanischer Ansatz, unter Berücksichtigung der raten- und temperaturabhängigen Materialeigenschaften, als auch der Kristallisationskinetik, erstrebenswert ist. Darauf aufbauend wird mit der kommerziellen Finite Elemente (FE) Software Abaqus, in Kombination mit mehreren sogenannten User-Subroutinen, ein entsprechender Simulationsansatz entwickelt.
Zunächst werden hypo- und hyperelastischen Materialmodellierungsansätze untersucht, sowie ratenabhängige intra-ply Materialmodellierungsansätze vorgestellt. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf dem ratenabhängigen Biegeverhalten, da diese Materialeigenschaft üblicherweise nicht berücksichtigt wird, weshalb hierfür hypoviskoelastische Modellierungsansätze auf Basis eines nichtlinearen Voigt-Kelvin- sowie eines nichtlinearen generalisierten Maxwell-Ansatzes vorgestellt werden. Unter Anwendung dieser Ansätze zeigt sich im Vergleich mit experimentellen Umformergebnissen eine gute Übereinstimmung. Darüber hinaus wird ein Einfluss der ratenabhängigen Biegeeigenschaften auf die Vorhersage der Faltenbildung beobachtet.
Im nächsten Schritt wird der Ansatz um eine "Discrete Kirchhoff Triangle" (DKT) Schalenformulierung erweitert, welche in Abaqus als User-Element implementiert ist. Dies ermöglicht im Gegensatz zu dem im vorherigen Kapitel vorgestellten Ansatz die hyperviskoelastische Modellierung des Membran- und des Biegeverhaltens. Darauf aufbauend werden ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-, sowie ein nichtlinearer generalisierter Maxwell-Ansatz, welcher auf einer multiplikativen Zerlegung des Deformationsgradienten basiert, vorgestellt. In der Umformsimulation zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Umformergebnissen. Darüber hinaus wird beobachtet, dass ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-Ansatz für die Modellierung des Membranverhaltens ausreichend ist.
Neben intra-ply werden auch inter-ply Modellierungsansätze untersucht. Hierfür wird ein erweiterter Ansatz vorgestellt, der neben den üblicherweise berücksichtigten Zustandsgrößen Abgleitgeschwindigkeit und Transversaldruck auch die Relativorientierung zwischen den abgleitenden Schichten berücksichtigt. Bei der Anwendung dieses Ansatzes in der Umformsimulation werden jedoch nur geringe Unterschiede gegenüber einem herkömmlichen Ansatz beobachtet.
Der präsentierte Ansatz für die Umformsimulation von thermoplastischen UD-Tapes wird final zu einem gekoppelten thermomechanischen Ansatz erweitert. Die entsprechende thermische Modellierung berücksichtigt Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung, sowie die Kristallisationskinetik, wobei das mechanische Verhalten über die Temperatur und die relative Kristallinität an das thermische Verhalten gekoppelt ist. Hiermit wird der Übergang vom schmelzflüssigen zum Festkörperzustand vorhergesagt und in der Modellierung des Umformverhaltens berücksichtigt. Hierdurch wird eine verbesserte Übereinstimmung mit den experimentellen Umformergebnissen erzielt und auch die lokale Temperaturentwicklung akkurat vorhergesagt. Darüber hinaus zeigt sich, dass bei einer ungünstigen Wahl der Prozessparameter eine starke Kristallisation schon während der Umformung auftritt. Da außerdem nur der thermomechanische Ansatz den Einfluss aller relevanten Prozessparameter berücksichtigen kann, wird geschlussfolgert, dass die Berücksichtigung thermischer Effekte sowie der Kristallisationskinetik vorteilhaft für die virtuelle Prozessauslegung nicht-isothermer Stempelumformverfahren mit teilkristallinen Thermoplasten ist.
Abstract (englisch):
Forming of two-dimensional pre-products into complex geometries is one of the most determining process steps in manufacturing of continuously fiber-reinforced plastics. Thereby, thermoforming of unidirectional (UD) fiber-reinforced thermoplastic tape laminates plays an increasingly import role, especially in the automotive industry, due to low cycle times, material efficiency and recycleability. By means of thermoforming simulation, manufacturability of a specific geometry can be assured virtually and therefor required process parameters can be determined, preventing a time- and cost-expensive "trial and error" process design.
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In this work, the requirements on thermoforming simulation of semi-crystralline thermoplastic UD-tapes are initially derived based on experimental results of a thermoforming study and material characterizations, showing that a thermomechanical approach considering rate- and temperature-dependent material modeling as well as crystallization kinetics is desirable for thermoforming simulation. Based on this, a thermoforming simulation approach using the commercial Finite Element (FE) software Abaqus in combination with several so-called user-subroutines is developed.
First, hypo- and hyperelastic material modeling is investigated and rate-dependent intra-ply modeling approaches are proposed. Thereby, an emphasis is laid on rate-dependent bending behavior, since this is a material characteristic usually neglected in thermoforming simulation. For this purpose, hypoviscoelastic modeling approaches following either a nonlinear Voigt-Kelvin or a nonlinear generalized Maxwell approach are presented. In comparison with experimental forming tests, a good agreement is observed. Besides this, an influence of rate-dependent bending modeling on the prediction of wrinkling behavior is observed.
In a next step, the aforementioned framework is enhanced by a "Discrete Kirchhoff Triangle" shell formulation, implemented as user-element in Abaqus. This enables in contrast to the approach presented in the previous chapter hyperviscoelastic material modeling for both, membrane and bending behavior. Based on this, a nonlinear Voigt-Kelvin as well as a nonlinear generalized Maxwell approach, which is based on a multiplicative decomposition of the deformation gradient, are presented. The presented approaches are applied to thermoforming simulation with a good agreement to experimental tests. The results reveal that a nonlinear Voigt-Kelvin approach is sufficient for membrane modeling.
Besides intra-ply modeling approaches, also inter-ply modeling approaches are presented. An advanced approach accounting for the relative orientation between the slipping plies, additionally to the usually considered dependency on the state variables transversal pressure and slip-rate, is proposed. In application of this approach to thermoforming simulation, however, negligible differences are observed compared to a conventional approach.
The presented approach for thermoforming simulation is finally enhanced to a coupled thermomechanical approach. The related thermal modeling takes into account radiation, convection and heat conduction as well as crystallization kinetics, where mechanical behavior is coupled to thermal behavior w.r.t. temperature and relative crystallinity. Based on this, the transition from the molten to the solid material state is predicted and considered in modeling of forming behavior. An improved agreement to experimental thermoforming results is observed for the thermomechanical approach, where also the local temperature evolution is accurately predicted. Severe crystallization during forming is observed for a disadvantageous choice of process parameters. Moreover, only the thermomechanical approach captures the influence of all relevant process parameters. Hence, it is concluded that the consideration of thermal effects as well as crystallization kinetics is favorable for the virtual process design of thermoforming processes with semi-crystalline thermoplastic UD-tapes.
