Mesoscale simulation of the mold filling process of Sheet Molding Compound

Sheet Molding Compounds (SMC) sind diskontinuierlich faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Verbundbauteile mit langen Fasern zu geringen Kosten zu realisieren, weit verbreitet sind. Sie ermöglichen Funktionsintegration, wie etwa den Einsatz von Rippen oder metallischen Einsätzen, und können mit kontinuierlichen Kohlenstofffasern gemeinsam verarbeitet werden, um die Formbarkeit von SMC mit den überlegenen mechanischen Eigenschaften von kontinuierlichen Fasern zu kombinieren. Das Streben nach hochintegrierten und komplexeren SMC-Bauteilen erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Verarbeitungsmechanismen und deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Bauteils. ... mehrProzesssimulationen adressieren diesen Punkt, indem sie mögliche Fertigungsfehler und Prozess- parameter vorhersagen. Diese Ergebnisse können nicht nur zur Prozessauslegung und zur Reduzierung von Trial-and-Error-Phasen genutzt werden, sondern auch für die anschließende Struktursimulation durch eine virtuelle Prozesskette.

In dieser Arbeit wird die Prozesssimulation von SMC zunächst mit einem makroskopischen Referenzmodell auf Basis von Faserorientierungstensoren adressiert. Dies entspricht dem Stand der Forschung, aber die zugrundeliegenden Annahmen von geraden Fasern, die viel kürzer als jedes geometrische Merkmal sind, werden in anspruchsvollen SMC-Anwendungen oft verletzt. Dies führt zu der Hypothese, dass eine direkte Simulation einzelner Faserbündel erforderlich ist, um den SMC-Formfüllprozess komplexer Geometrien genau zu beschreiben. Basierend auf dieser Hypothese wird eine neuartige direkte Bündelsimulationsmethode (DBS) vorgeschlagen, die eine direkte Simulation auf Komponentenebene ermöglicht und dabei die Beobachtung nutzt, dass Faserbündel während des SMC Fließpressens oft in einer gebündelten Konfiguration verbleiben. Das entwickelte DBS Modell kann mit Patches kombiniert werden, um den Co-Molding-Prozess von SMC mit kontinuierlichen Faserverstärkungen zu simulieren. Daher wird ein Modell zur Beschreibung des Materialverhaltens von unidirektionalen Kohlenstofffaser-Patches einschließlich eines einfachen Schädigungsmodells zur Vorhersage von Defekten entwickelt.

Die Parameter des makroskopischen Referenzmodells, des DBS-Modells und des Patch-Modells werden experimentell bestimmt. Dazu gehören die thermischen Eigenschaften des SMCs, die temperaturabhängige und ratenabhängige Viskosität der SMC-Paste, die Reibung an der Werkzeugwand sowie die Kompressibilität des SMCs. Ebenso werden die temperaturabhängigen und ratenabhängigen mechanischen Eigenschaften der Patches bestimmt, die jedoch große Streuungen zwischen den Proben und Chargen aufweisen.

Schließlich werden die Modelle auf mehrere Validierungsfälle angewandt, um die Anwendbarkeit auf Komponentenebene zu bewerten. Die Beispiele zeigen eine gegenüber dem makroskopische Referenzmodell verbesserte Vorhersage der Faserarchitektur, insbesondere der Faserorientierung in der Nähe von Werkzeugwänden sowie der Vorhersage von Bindenähten und Fließmarken. Zusätzlich bietet das DBS Modell die Option, Krümmungen der Bündel vorherzusagen und den Faservolumenanteil zu berechnen, welche durch Mikro-Computertomographie, thermisch gravimetrische Analysen und Durchleuchtungsbilder validiert werden.

Sheet Molding Compounds (SMC) are discontinuous fiber reinforced composites that are widely applied due to their ability to realize composite parts with long fibers at low cost. They enable function integration, e.g. ribs or metallic inserts and can be co-molded with continuous carbon fibers to combine the formability of SMC with the superior mechanical properties of continuous fibers. However, the pursuit for highly integrated and more complex SMC components requires a profound understanding of the processing mechanisms and their influence on the performance of a component. ... mehrProcess simulations address this point by predicting possible manufacturing defects and process parameters. These results can not only be used to configure the process and reduce trial and error phases, but also for subsequent structural simulation by virtue of a virtual process chain.

In this work, the process simulation of SMC is addressed initially with a macroscopic reference model based on fiber orientation tensors. This is in line with the state of research, but the underlying assumptions of straight fibers that are much shorter than any geometric feature are often violated in advanced SMC applications. This leads to the hypothesis that a direct simulation of individual fiber bundles is required to accurately describe the SMC mold filling process of complex geometries. Based on this hypothesis, a novel Direct Bundle Simulation (DBS) method is proposed to enable a direct simulation at component scale utilizing the observation that fiber bundles often remain in a bundled configuration during SMC compression molding. The developed DBS model can be combined with patches to simulate the co-molding process of SMC with continuous fiber reinforcements. Hence, a model is developed to describe the material behavior of unidirectional carbon fiber patches including a damage model to predict defects.

The parameters of the macroscopic reference model, DBS model and patch model are determined experimentally. This includes thermal properties of the SMC, temperature dependent and rate dependent viscosity of the paste, friction at the mold surface as well as the compressibility of the SMC. Likewise, the temperature dependent and rate dependent mechanical properties of the patches are determined, but they show large scatter between samples and batches.

Finally, the models are applied to several validation cases for evaluating the applicability at component scale. The examples show improved prediction of fiber architecture compared to the macroscopic reference model, especially the fiber orientation near mold walls and the prediction of knit lines or flow marks. In addition, the DBS model provides the option to predict bundle curvatures and calculate fiber volume fractions, which are validated by micro- computed tomography, thermal gravimetric analysis and fluoroscopy.