Abstract:
Diese Arbeit präsentiert neuartige Simulationstechniken für Spritzgusssimulationen mit faserverstärkten Polymeren (FRPs).
Spritzguss ist einer der meistverbreiteten Prozesse zur Massenproduktion von diskontinuierlich faserverstärkten Polymerbauteilen. Die Prozessparameter (Füllrate, Temperatur, etc.) beeinflussen die Bauteileigenschaften signifikant. Für eine adäquate Vorhersage der finalen Bauteileigenschaften muss eine Simulation alle Prozessschritte (Formfüllung, Nachdruck, Abkühl-/Aushärtungsphase, Abkühlung außerhalb des Werkzeuges) beinhalten.
Während der Formfüllung hat die Strömungsmodellierung oberste Priorität. ... mehrDas komplexe Matrixverhalten muss unter Beachtung von Scherrate, Temperatur und, falls vorhanden, chemischer Reaktion modelliert werden. Die sich ausprägende Faserorientierung, die von Strömungsfeld, Faserlänge und Volumengehalt abhängt, sollte aus zwei Gründen berechnet werden. Einer ist das Ausprägen von anisotropen Material- und somit auch Bauteileigenschaften aufgrund der Fasern. Zudem rufen die Fasern auch während der Formfüllung anisotropes Verhalten im flüssigen Material hervor. Auch die Faserlänge beeinflusst das mechanische und Fließverhalten des Materials und wird im Umkehrschluss durch das Strömungsfeld während der Formfüllung beeinflusst. Die Faserlänge hat großen Einfluss auf die Schlagzähigkeit des Bauteils, aber auch auf die effektive Viskosität in Faserrichtung im flüssigen Material. Umgekehrt erzeugt das Strömungsfeld aber auch Kräfte auf die Fasern, die diese zum Brechen bringen können. Stand der Technik Simulationen beachten den Einfluss der Faserorientierung und -länge auf das Strömungsfeld nicht. Diese Arbeit präsentiert einen neuartigen Ansatz, in welchem Viskosität, Faserorientierung, Faserlänge und Geschwindigkeit gekoppelt sind.
Zur Berücksichtigung der Fasereigenschaften in der Viskositätsmodellierung und somit auch in der Geschwindigkeit wird die Viskosität als Tensor vierter Stufe, der als Funktion von Matrixviskosität, Faserorientierung, -länge und -volumengehalt definiert ist, modelliert. Der Viskositätstensor wird für eine homogenisierte Matrix-Faser-Suspension auf Basis von mikromechanischen Modellen berechnet. Für die Modellierung des Faserbruchs werden die hydrodynamischen Schlepp- und Auftriebskräfte beachtet. Zusätzlich werden makroskopische Ansätze zur Berechnung der Faser-Faser Interaktionskräfte (Schmier- und Reibkraft) gezeigt und verifiziert.
Neben der Formfüllung beeinflussen die weiteren Prozessschritte Nachdruck, Abkühl-/Aushärtungsphase und Abkühlung außerhalb des Werkzeuges ebenfalls die Bauteileigenschaften. Durch das anisotrop visko-elastische Verhalten können Verzug und Eigenspannungen aufkommen. Stand der Technik Software simuliert diese Phänomene in der Regel anisotrop mit linear elastischen Modellen. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen für FRPs mit duromerer Matrix und thermo-visko-elastischen Modellen. Relevante Prozessdaten wie Faserorientierung, Temperatur und Aushärtungsgrad werden übertragen um diese in der Verzugssimulation mit zu betrachten. Faser- und Matrixeigenschaften werden zur Homogenisierung verwendet und unter Beachtung der Faserorientierung wird ein orthotropes Material definiert. Das Matrixverhalten wird als Funktion von Aushärtungsgrad und der Temperatur modelliert. Zusätzlich werden thermische und chemische Schwindung beachtet.
Die vorgestellten Methoden sind für Formfüllsimulationen in der open-source, finite Volumen basierten Software OpenFOAM und für die Verzugsanalyse in die kommerziellen finiten Elemente basierten Software Simulia Abaqus implementiert. Numerische Studien verifizieren die Implementierung und Methoden. Die Formfüllsimulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen, was die neu entwickelten Ansätze validiert.
Abstract (englisch):
This work presents novel simulation techniques for injection molding of fiber reinforced polymers (FRPs). Injection molding is one of the most applied processes for mass production of discontinuous FRP parts. The process conditions such as filling rate, temperature, etc. have a significant influence on the final part properties. For an adequate prediction of these properties, a process simulation has to depict different aspects, including all process steps, being mold filling, holding, in-mold solidification and out-of-mold cooling.
During the mold filling phase, the flow modeling is of major significance. ... mehrThe complex matrix behavior must be modeled under consideration of shearing, temperature and, if present, chemical reactions. The important aspect of fiber orientation, depending on flow field, fiber length and volume fraction, should be modeled for two reasons. The first one being, that the fiber orientation influences the anisotropic mechanical properties of the material, and therefore, the final part’s behavior. Furthermore, the fibers also produce an anisotropic flow behavior in the liquid material during mold filling. Similar to the orientation, the fiber length influences the flow and mechanical behavior of the material and is vice versa influenced by the mold filling process. The fiber length is crucial for the mechanical impact strength and resistance and the effective viscosity in fiber direction. On the opposite the flow field evokes forces on the fibers, leading them to break. In state-of-the-art simulation techniques, the influence of fiber orientation and fiber length on the flow field is not considered. Therefore, this work presents a novel simulation approach where viscosity, fiber orientation, fiber length and velocity field are coupled.
For consideration of the influence of fiber properties on viscosity and hence velocity, the viscosity is modeled with a fourth order anisotropic viscosity tensor, depending on matrix viscosity, fiber orientation, length and volume fraction. The viscosity tensor is calculated for a homogenized matrix fiber suspension, based on micro mechanical models. For modeling of fiber breakage, hydrodynamic drag and lift are computed. Furthermore, novel macroscopic approaches for fiber-fiber interaction forces (friction and lubrication) and contact points are presented and verified.
Besides the mold filling, the following process steps holding, solidification and out-of-mold cooling also have impact on the final part’s properties and geometry. Due to the anisotropic and viscoelastic mechanical behavior, warpage may occur, or residual stresses build up. State-of-the-art software simulates these phenomena anisotropic with linear elastic mechanical models. This work presents an approach to calculate warpage and residual stresses for FRPs with thermoset matrix using thermo-chemo-elastic material models. Temperature and curing fields are mapped to be considered in the warpage simulation. Fiber and matrix properties as well as fiber orientations are used for homogenization to create an orthotropic material model. The matrix behavior depends on the degree of curing and temperature. Thermal and chemical shrinkage are also considered.
The presented methods are implemented in the open-source, finite volume based software OpenFOAM for mold filling simulations and in the commercial finite element based software Simulia Abaqus for warpage simulations. Numerical studies verify the implementations and methodology. The mold filling simulations are validated by comparison to experimental results, showing good agreement.
