Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers

Entwicklungsansätze für den systemeffizienten Leichtbau vereinen Werkstoff-, Prozess- und Methodenverständnis. Dies gilt im Besonderen für endlosfaserverstärkte Kunststoffe (FVK), die hohe gewichtsspezifische Materialeigenschaften bieten und lastpfadoptimierte Konstruktionen ermöglichen. Diese Dissertation widmet sich dem Verständnis und der Modellierung der Nasspresstechnologie, um die Groß-serienproduktion von endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen zu unterstützen. Nasspressen kombiniert gleichzeitiges Drapieren und Infiltrieren während der Verarbeitung, was vergleichsweise geringe Werkzeuginnendrücke (< 20 bar) und Zykluszeiten (< 3 min) ermöglicht.
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Der erste Teil dieser Arbeit (siehe Kapitel 2) fokussiert sich auf eine systematische Analyse der relevanten, physikalischen Prozessmechanismen. Versuche mit einem transparenten Werkzeug ermöglichen eine in-situ-Visualisierung des Fließfrontverlaufs während der Formgebung. Die Versuche verdeutlichen die starke Wechselwirkung zwischen Drapierung und Infiltration während der Verarbeitung. Diese Wechselwirkung wird durch herkömmliche, sequenzielle Modellierungsansätze nicht erfasst.

Der zweite Teil (siehe Kapitel 3) widmet sich der Bewertung des Einflusses der niedrigviskosen Infiltration auf relevante Deformationsmechanismen. Hierzu werden neuartige und modifizierte Prüfstände verwendet, um das trockene und infiltrierte Membran-, Biege-, Kompaktierungs- und Kontaktverhalten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Infiltration mit einer niedrigviskosen Matrix die Reibung zwischen und innerhalb der Rovings signifikant verringert, was direkt auch die Scherfestigkeit, Biegesteifigkeit und tangentiale Kontaktspannungen reduziert.
Die verbesserte Drapierbarkeit ermöglicht komplexere Bauteilgeometrien. Jedoch induziert die Infiltration auch eine Ratenabhängigkeit, die die Umformbarkeit des Textiles bei höheren Viskositäten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten gleichermaßen verschlechtern kann. Die Relevanz dieser experimentellen Erkenntnisse für die Prozessmodellierung werden anhand von Modellen bewertet und abschließend an einem komplexen Demonstrator validiert. Simulationen zeigen, die Infiltration sollte bei der Beschreibung des Membran- und Biegeverhaltens berücksichtigt werden. Die Kompaktierung ist zudem für eine genaue Vorhersage des lokalen Faservolumengehalts entscheidend.
Demgegenüber ist eine herkömmliche Kontaktmodellierung zwischen Halbzeug und Werkzeug ausreichend, da nur relativ geringe Spannungen auftreten.

Im dritten Teil dieser Arbeit (vgl. Kapitel 4) wird ein monolithischer Simulationsansatz für die kombinierte Textilumformung und Harzinfiltration entwickelt, der auf der Äquivalenz des Fourierschen Gesetzes für die Wärmeleitung und des Richardschen Gesetzes für die Durchströmung eines porösen Mediums beruht. Das Prozessmodell basiert auf überlagerten finiten Elementen zur Beschreibung der Einzelschicht. Die Verwendung von Kontinuumsschalen ermöglicht eine Berücksichtigung der Kompaktierung während der Umformung. Ein entwickeltes Fluid-Element (User-Element) beschreibt die dreidimensionale Harzausbreitung unter Berücksichtigung des aktuellen Verformungszustandes und der Faserorientierung. Auf diese Weise wird eine vollständig gekoppelte Analyse in \textsc{Abaqus} für eine gemeinsame explizit formulierte Lösung von Verformungs- und Druckfeld genutzt. Der experimentelle Vergleich zeigt eine gute Vorhersagegüte.

Die inhärente Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) im Nasspressen kann zu unerwünschten Prozessdefekten wie strömungsinduzierter Faserverschiebung (eng: FiFD) führen. Dies kann negative Auswirkungen auf Infiltration und strukturellen Eigenschaften des fertigen Bauteils haben. Im letzten Kapitel der Arbeit wird die numerische Vorhersage von FiFD untersucht (siehe Kapitel 5). Zu diesem Zweck wird ein beidseitige FSI implementiert und validiert. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigt eine gute Vorhersagegüte von FiFD während der viskosen Kompaktierung.

Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstützen eine frühzeitige zeit- und kosteneffiziente Prozess- und Produktgestaltung. Die Ergebnisse verdeutlichen die Anwendbarkeit und Validität der entwickelten Methoden. Sie zeigen aber gleichermaßen wichtige Forschungs- und Implementierungsfelder wie Wärmetransport und Aushärtung auf.

Interdisciplinary development approaches for system-efficient lightweight design unite a comprehensive understanding of materials, processes and methods. This applies particularly to continuous fibre-reinforced plastics (CoFRPs), which offer high weight-specific material properties and enable load path-optimised designs.

This thesis is dedicated to understanding and modelling Wet Compression Moulding (WCM) to facilitate large-volume production of CoFRP structural components. WCM combines simultaneous infiltration and draping during processing, allowing for comparatively low cavity pressures (< 20 bar) and short cycle times (< 3 min). ... mehr

In this regard, the first part of this work (cf. Chapter 2) focuses on a systematic analysis of the relevant physical process mechanisms. The first experiments using a transparent tool allow for in-situ visualisation of the flow front progression during moulding. The trials demonstrate a strong interdependence between draping and infiltration during processing. Although relevant, current modelling approaches cannot capture this interaction of local deformation and anisotropic fluid propagation sufficiently.

The second part (cf. Chapter 3) is dedicated to systematically evaluating the impact of low-viscous infiltration on the deformation mechanism. Novel and modified test benches are developed in order to investigate dry and infiltrated membrane, bending, compaction and contact behaviour. The trials show that infiltration with a low-viscous matrix significantly reduces friction between and within the rovings leading to reduced shear resistance, bending stiffness, and tangential contact stresses. This improves drapeability allowing for more complexly shaped parts.
Conversely, infiltration further induces rate-dependency, which can diminish drapability at higher viscosities and processing speeds. Moreover, the relevance of these experimental findings for process modelling is evaluated through hyper- and hypoviscoelastic material formulations validated on a complex demonstrator. Investigating the deformation mechanism shows that the infiltrated material state should be considered to describe membrane and bending behaviour. Moreover, it becomes apparent that a modelling of the compaction in the thickness direction and an accurate prediction of local fibre volume content are essential for WCM modelling. In contrast, a state-of-the-art contact model seems to be sufficient for the comparably low contact stress between plies and tool surfaces.

A monolithic fully-coupled simulation approach for combined textile forming and resin infiltration is proposed in the third part of this thesis (cf. Chapter 4), utilising the equivalence of Fourier's law for heat conduction and Richard's law for porous media throughflow. The process model is based on modular superimposed finite elements representing a single textile layer. Usage of continuum shells allows for a three-dimensional material formulation, which makes non-linear compaction during forming considerable. A user-developed superimposed fluid element (user-element) describes the three-dimensional resin propagation considering the current deformation state and the local fibre orientation.
In this manner, a fully-coupled analysis in ABAQUS/Explicit is employed for a mutual explicitly formulated solution of deformation and pressure field.
Comparison with experimental trials demonstrate an accurate prediction of textile forming and simultaneous infiltration within a single simulation run.

Finally, the inherent Fluid-Structure Interaction (FSI) in WCM can cause additional undesired process defects, such as flow-induced fibre displacement (FiFD). This can have severe negative impacts on the infiltration behaviour and the structural properties of the final part (cf. Chapter 5). Since existing analytical solutions are not sufficient, a numerical prediction of FiFD is investigated in the last chapter of the work. For this purpose, a bilateral FSI is implemented and validated using Terzaghi's effective stress approach. A comparison with planar experimental results taken from the literature shows a good prediction of the FiFD during WCM.

Conclusively, the results of the thesis support a time- and cost-efficient process and product design at an early stage. The outcomes underline the applicability and validity of the developed methods. However, they likewise indicate the scope for further development. Particularly, an implementation of heat transfer and curing are worthwhile additions towards a comprehensive process model.