Experimentelle und numerische Untersuchung des Abkühlverhaltens thermoplastischer Gelegelaminate in der Prozesskette

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe haben aufgrund ihrer herausragenden gewichtsspezifischen Eigenschaften ein großes Potential das Fahrzeuggewicht zu senken und damit CO$_{2}$-Emissionen zu reduzieren.
Allerdings stellt nach wie vor die großserientechnische Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen eine Herausforderung dar. Problematisch ist dabei insbesondere das fehlende, methodische Wissen über das Abkühlverhalten der Halbzeuge im Prozess.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik zur Vorhersage und Optimierung der Temperaturführung entlang der gesamten Prozesskette entwickelt.
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Dabei werden glasfaserverstärkte, thermoplastische Gelegelaminate aus Polypropylen und Polyamid 6, sowie kohlenstofffaserverstärkte Gelegelaminate aus Polyamid 6 betrachtet.
Zunächst wird das thermische Verhalten innerhalb der einzelnen Teilprozesse (Aufheizen, Transfer, Übergabe an Werkzeug, Umformung und Hinterspritzen) experimentell untersucht.
Zusätzlich wird eine Simulationsmethodik (1D- und 3D-Ansatz) zur Vorhersage der Temperaturverteilung innerhalb der Teilprozesse entwickelt und anhand von Experimenten validiert. Dabei zeigt sich eine hohe Übereinstimmung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Temperaturverläufen.
Um die gesamte Prozesskette abzubilden, werden die Simulationsmodelle der jeweiligen Teilprozesse sequenziell zu einem Gesamtprozess verknüpft. Es werden dabei Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung sowie die nicht-isotherme Kristallisationskinetik berücksichtigt. Zur Simulation der Kristallisation werden verschiedene Modelle implementiert und anhand von Standard-DSC und Flash-DSC-Analysen validiert. Mit Hilfe eines modifizierten Nakamura-Ziabicki-Ansatzes wird eine hohe Prognosegüte im gesamten Abkühlratenbereich (0,5 $\frac{K}{s}$ - 400 $\frac{K}{s}$) erzielt. Insbesondere die, für die Formulierung einer Prozessgrenze relevante, Kristallisationsstarttemperatur kann sehr genau vorhergesagt werden.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wird der Aufheizvorgang auf der Laminatoberfläche beim Hinterspritzen betrachtet. Auch in diesem Fall wird mit der entwickelten Methodik eine hohe Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation erzielt.
Die Korrelation zwischen Temperaturverteilung und Verbundfestigkeit wird anschließend experimentell und numerisch anhand einer generischen Rippengeometrie untersucht. Es zeigt sich, dass die Grenzflächentemperatur einen kritischen Einfluss auf den Verbund hat. Anhand der Ergebnisse werden thermische Prozessgrenzen zur optimalen Verbundfestigkeit beim Hinterspritzen von Laminaten formuliert: Zur Gewährleistung einer optimalen Verbundfestigkeit darf die Grenzfläche nicht bis unterhalb der Kristallisationsstarttemperatur abkühlen. Es sei denn die Grenzflächentemperatur wird beim Hinterspritzen so sehr erhöht, dass die Matrix den Schmelzbereich erreicht.
Als Ergebnis der Arbeit wird damit eine Methodik präsentiert, mit der sowohl die Temperaturverteilung im Gesamtprozess zuverlässig vorhergesagt, als auch eine Aussage über die Prozessgrenzen getroffen werden kann. Durch Sensitivitätsstudien werden die wichtigsten Einflussparameter auf das Abkühlverhalten und auf die für die Verbundfestigkeit wichtige Grenzflächentemperatur ermittelt. Die Laminatdicke zeigt dabei den größten Effekt.
Zuletzt wird die Methodik als Praxisbeispiel auf Bauteil-Ebene angewendet. Dies erfolgt durch Betrachtung einer komplexen Prozesskette zur Herstellung eines Lower Bumper Stiffeners (untere Stoßfängerabdeckung).

Continuous fiber-reinforced plastics have great potential to reduce vehicle weight and thus CO$_{2}$-emissions due to their outstanding weight-specific properties. However, the large-scale production of thermoplastic continuous fiber-reinforced components still poses a challenge. A particular problem is the lack of methodological knowledge about the cooling behavior of the laminates in the process. This paper proposes a methodology for predicting and optimizing temperature control along the entire process chain. The considered materials were laminates comprised of thermoplastic pre-impregnated tapes with unidirectional fiber reinforcement. ... mehrThree different tape materials were used - polypropylene with glass fiber and polyamide 6 with either carbon fiber or glass fiber.
First, the thermal behavior within the individual sub-processes (heating, transfer, forming and overmolding) was investigated experimentally. Then, a simulation methodology (1D and 3D approach) for predicting the temperature distribution within the sub-processes was developed and validated by experimental results. Validation was determined through strong agreement between the calculated and the experimentally determined temperature curves.
In order to map thermal behavior across the entire process chain, simulation models were linked sequentially to form an overall process. Convection, heat conduction and heat radiation as well as non-isothermal crystallization kinetics were considered. Various crystallizations models were implemented and validated using standard DSC and Flash DSC analyses. A modified Nakamura-Ziabicki approach achieved a high prediction quality throughout the entire cooling rate range (0,5 $\frac{K}{s}$ - 400 $\frac{K}{s}$). In particular, the proposed modified Nakamura-Ziabicki approach can accurately predict the temperature where crystallization starts. Additionally, the heating process on the laminate surface during overmolding is considered. In this case as well, the developed methodology achieves a high degree of agreement between measurement and simulation.
The correlation between temperature distribution and bond strength was investigated experimentally and numerically using a generic rib geometry. The interfacial temperature has a critical influence on the bond. The results are used to formulate thermal process limits for optimum bond strength during overmolding; to ensure optimum bond strength, the interface must not cool below the crystallization start temperature – unless the interface temperature is heated so much during overmolding that the matrix starts to melt again.
Using the proposed methodology allows both the temperature distribution in the overall process to be reliably predicted and understanding of the process limitations. Sensitivity studies determine the most important influencing parameters on the cooling behavior and on the interface temperature, which is critically important for the bond strength (laminate thickness showed the greatest effect). Finally, the proposed methodology was applied at the component level, considering a complex process chain, to produce a lower bumper stiffener.