Entwicklung einer Methodik zur Analyse und Vorhersage des mechanischen Verhaltens polymerer Hartschäume im RTM-Prozess

Nachhaltiger Leichtbau stellt in der Automobilindustrie eine Schlüsseltechnologie zur Erreichung zukünftiger CO2-Emissionsziele dar. So werden neben Metallen wie Stahl und Aluminium auch Faserverbundkunststoffe eingesetzt. Mit Hilfe einer von Audi entwickelten Prozessvariante des Hochdruck Resin Transfer Moulding, dem sogenannten Audi ultra RTM-Prozess, können die im Prozess entstehenden Werkzeuginnendrücke im Vergleich zum klassischen RTM-Prozess und zur RTM-Verfahrensvariante mit Spaltinjektion signifikant gesenkt werden. Eine geregelte Begrenzung des Werkzeuginnendrucks ermöglicht zudem die Integration von leichten, geschlossenzelligen polymeren Hartschaumkernen zur Herstellung von leistungsfähigen Sandwichstrukturen.
... mehr
Die im Prozess auf den Kern einwirkenden thermischen und mechanischen Belastungen führen zu einer Verformung, die eine Änderung des lokalen Faservolumengehalts nach sich zieht. Dies wirkt sich sowohl auf die benötigte Menge an Matrixmaterial als auch auf das Formfüllverhalten aus. Das Erreichen der Einsatzgrenze des Kernmaterials im Prozess führt zu Kernversagen, was letztendlich in einem Ausschussbauteil resultiert. Eine Methode zur Untersuchung des Verhaltens und Ermittlung der Einsatzgrenze der Materialien im Prozess ist nicht bekannt. Kosten- und zeitintensive Bauteilabmusterungen zur Prozessoptimierung sind die Folge.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik, mit der das Verhalten potenzieller Kernmaterialien unter Prozessbedingungen systematisch untersucht und deren Einsatzgrenze bestimmt werden kann. Zudem soll durch ein Simulationsmodell die Einbindung des Strukturverhaltens der Kerne in die RTM-Formfüllsimulation ermöglicht werden.
Hierfür wird im Rahmen einer Materialuntersuchung zunächst die Eignung ausgewählter Kernmaterialien für die Großserie dargestellt. Anschließend wird die Struktur der Kernmaterialien makro- und mikroskopisch analysiert. Im Weiteren werden die im Prozess auftretenden Belastungen und Rahmenbedingungen experimentell ermittelt und ein Zusammenhang zwischen dem Werkzeuginnendruck und dem Verformungs- und Versagensverhalten des Kerns hergestellt. Neben wichtigen Kenngrößen bezüglich Fluideigenschaften, Belastungsart und Belastungsdauer werden im Rahmen der Prozessanalyse auch die thermischen Randbedingungen ermittelt, die der prozessorientierten Charakterisierung der Hartschaumstoffe zu Grunde liegen. Diese umfasst die systematische Untersuchung des Aufheizverhaltens sowie des Verformungsverhaltens unter Druck der betrachteten Materialien. Das Versagensverhalten unter den im RTM-Prozess vorherrschenden Rahmenbedingungen kann durch bekannte Prüfmethoden nicht abgebildet werden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, den Einfluss verschiedener prozessrelevanter Faktoren auf das Versagensverhalten der Kernmaterialien separat zu untersuchen. Die experimentell ermittelten Daten bilden die Basis zur Simulation des Verformungsverhaltens der Hartschaumstoffe unter Prozessbedingungen. Hierfür wird ein hyperelastisches Materialmodell ausgewählt, das das nicht-lineare Verhalten des Hartschaums unter Druck im relevanten Verformungsbereich hinreichend genau abbildet, und erweitert, um viskoelastische Effekte berücksichtigen zu können. Am Ende dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie das verwendete Materialmodell in die virtuelle Prozesskette integriert werden kann, um das Formfüllverhalten von Faserverbundbauteilen mit Sandwichkern im RTM-Prozess vorhersagen zu können.

Sustainable lightweight design is a key technology in the automotive industry for achieving future CO2 emission targets. In addition to metals such as steel and aluminum, fiber composite plastics are also used. With the help of a process variant of high-pressure resin transfer mold-ing, developed by Audi, the so-called Audi ultra RTM process, the mold internal pressures generated in the process can be significantly reduced compared to the classic RTM process and the RTM process variant with gap injection. A regulated limitation of the mold internal pres-sure also enables the integration of light, closed-cell polymeric rigid foam cores for the pro-duction of high-performance sandwich structures.
... mehr
The thermal and mechanical loads acting on the core in the process lead to a deformation that results in a change in the local fiber volume content. This affects both the required amount of matrix material and the mold filling behavior. Reaching the use limit of the core material in the process leads to core failure, which ultimately results in a reject component. A method for investigating the behavior and determining the limit of use of the materials in the process is not known. The result is costly and time-consuming component sampling for process optimi-zation.
The aim of this work is the development of a methodology with which the behavior of poten-tial core materials under process conditions can be systematically examined and their applica-tion limits can be determined. In addition, the integration of the structural behavior of the cores in the RTM mold filling simulation is to be made possible by means of a simulation model.
For this purpose, the suitability of selected core materials for the large series is first shown in the context of a material analysis. The structure of the core materials is then analyzed macro-scopically and microscopically. Furthermore, the loads and general conditions occurring in the process are determined experimentally and a relationship is established between the cavity pressure and the deformation and failure behavior of the core. In addition to important param-eters regarding fluid properties, type of load and duration of load, the process analysis also determines the thermal boundary conditions on which the process-oriented characterization of the rigid foams is based. This includes the systematic investigation of the heating behavior and the deformation behavior under pressure of the materials. The failure behavior under the conditions prevailing in the RTM process cannot be represented by the state-of-the-art test methods. Therefore, in the context of this work, a method is developed that enables the influ-ence of various process-relevant factors on the failure behavior of the core materials to be investigated separately. The experimentally determined data form the basis for the simulation of the deformation behavior of the rigid foams under process conditions. For this purpose, a hyperelastic material model is selected, which maps the non-linear behavior of the rigid foam under pressure in the relevant deformation area with sufficient accuracy. Additionally, the model is extended to consider viscoelastic effects. At the end of this work it is shown how the material model can be integrated into the virtual process chain in order to be able to predict the shape filling behavior of fiber composite components with sandwich core in the RTM process.