Mold-filling Simulation of Resin Transfer Molding with Fluid-Structure Interaction

Das Resin Transfer Molding (RTM) Verfahren ist ein vielversprechender Prozess für die Großserienfertigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen.

Um die spezifische Steifigkeit der Strukturbauteile zu erhöhen, können zusätzliche Polymerschaumkerne zwischen den Verstärkungslagen eingebettet werden. Das RTM-Verfahren ermöglicht die intrinsische Herstellung dieser Sandwichbauteile, die sehr hohe spezifische mechanische Eigenschaften aufweisen. Beim Prozessschritt der Formfüllung wird ein flüssiges Polymerharz in eine geschlossene Form injiziert und infiltriert das poröse Halbzeug. ... mehrDer Druck im Inneren der Form steigt jedoch aufgrund der Widerstandskraft der Fasern gegenüber dem Harzfluss an. Dies führt zu einer Kompression des eingebetteten Schaumkerns. Die Kompression des Schaumkerns führt außerdem zu einer Vergrößerung des Kavitätvolumens und damit zu einem höheren Bauteilgewicht und einem geringeren Faservolumengehalt. Da der Harzfluss stark vom Faservolumengehalt abhängt, führt dies außerdem zu einem veränderten Formfüllungsverhalten. In dieser Arbeit wird eine numerische Methode für die Formfüllung entwickelt, die es ermöglicht, die Wechselbeziehung zwischen Harzfluss und Schaumkernverformung zu analysieren.

Die Entwicklungen in dieser Arbeit basieren auf einer Finite-Volumen (FV)-Diskretisierung in Kombination mit einer Volume-of-Fluid (VoF)-Methode für die Zweiphasenströmung bestehend aus flüssigem Harz und Luft, die in der Open-Source-Bibliothek OpenFOAM\textsuperscript{\textregistered} implementiert ist. Zunächst wird eine einseitige Kopplung entwickelt, um den Einfluss einer vorgegebenen Werkzeugverformung auf den Formfüllprozess zu modellieren, wobei die sich verändernde Kavität mit einem dynamischen Netz erfasst wird. Mit diesem ersten Schritt ist es möglich, Compression Resin Transfer Molding (C-RTM) und Pressure-Controlled Resin Transfer Molding (PC-RTM) zu simulieren, bei denen die Höhe der Kavität während der Formfüllung nicht konstant ist.

Im nächsten Schritt wird eine Methode zur Beschreibung der porösen Strukturmechanik entwickelt, um die Verformung des Halbzeugs während der Infiltration zu modellieren. Der Ansatz basiert auf dem Terzaghi-Prinzip der effektiven Spannung und verwendet eine inkrementelle FV-Formulierung für große Dehnungen. Die Kopplung zwischen Harzfluss, Halbzeugkompaktierung und Schaumkernkompression wird mit einem partitionierten Fluid-Struktur-Interaktions-Ansatz (FSI) modelliert, der mit der generalisierten Open-Source-Schnittstelle preCICE realisiert wird.

Die Simulationsmethoden werden in mehreren Schritten verifiziert und zeigen stets eine sehr gute Übereinstimmung mit analytischen Lösungen. Eine numerische Sensitivitätsstudie auf Bauteilskala zeigt den starken Einfluss eines eingebetteten Schaumkerns auf den Formfülldruck und auf die Ausbreitung der Fließfront, was mit herkömmlichen Formfüllsimulationen nicht vorhergesagt werden kann. Dies bestätigt die Notwendigkeit der Verwendung gekoppelter Simulationen für die Formfüllung bei RTM mit eingebetteten Schaumkernen.

Zur Validierung der FSI-Methode werden Sandwichbauteile im RTM-Verfahren hergestellt. Dazu werden experimentelle Messungen durchgeführt, um die an der Validierung beteiligten Materialien zu charakterisieren. Die mechanische Charakterisierung des Polymerschaumkerns wird für verschiedene Schaumdichten und bei unterschiedlichen isothermen Temperaturen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine starke Abnahme des Kompressionsmoduls mit abnehmender Dichte und steigender Temperatur.

Die Validierungssimulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem vorhergesagten Druckniveau. Mit dem validierten Modell ist es möglich, die Formfüllzeit und weitere Parameter wie z.B. die Pressenkraft genauer vorherzusagen. Eine weitere Steigerung der Genauigkeit wird erwartet, wenn die Temperatur innerhalb der Form mit einer erweiterten Methode für den Wärmeübergang innerhalb und zwischen den beteiligten Materialien modelliert wird.

Resin Transfer Molding (RTM) is a promising process for high-volume manufacturing of high-performance continuous fiber-reinforced plastics (CoFRP).

To increase the specific stiffness of the structural components, additional polymer foam cores can be embedded between the reinforcement fabrics. RTM enables an intrinsic production of these sandwich components that exhibit very high specific mechanical properties. During the mold-filling process step, a liquid polymer resin is injected into a closed mold and infiltrates the porous fabric. However, the pressure inside the mold rises due to the drag force of the fibers on the resin flow. ... mehrThis leads to a compression of the embedded foam core material. Moreover, the foam core compression leads to an increasing mold volume and thus to a higher part weight and a lower fiber volume fraction. As the resin flow strongly depends on the fiber volume fraction, this, furthermore, results in an altered mold-filling pattern. In this thesis, a numerical mold-filling simulation method is developed that enables to analyze the interdependence between resin flow and foam core deformation.

The developments in this thesis are based on a finite volume (FV) discretization combined with a volume-of-fluid (VoF) method for two-phase flow of the liquid resin and air that is implemented in the open-source library OpenFOAM\textsuperscript{\textregistered}. Initially, a one-sided coupling is developed to model the influence of a forced tool deformation on the mold filling process, where the changing cavity is captured by using a dynamic mesh. With this first step, it is possible to simulate Compression Resin Transfer Molding (C-RTM) and Pressure-Controlled Resin Transfer Molding (PC-RTM), where the cavity height is not constant during mold-filling.

In the next step, a porous solid mechanics method is developed to model the fabric deformation during infiltration. The approach is based on Terzaghi's principle of effective stress and uses a large-strain incremental FV formulation. The coupling between resin flow, fabric compaction and foam core compression is modeled with a partitioned fluid-structure interaction (FSI) approach that is realized with the generalized open-source interface preCICE.

The simulation methods are verified at different stages and always show very good agreement to analytical solutions. A numerical sensitivity study on part-scale shows the strong influence of an embedded foam core on the mold-filling pressures and on the flow front evolution, which is not possible to predict with conventional mold-filling simulations. This confirms the necessity of using coupled simulations for mold-filling in RTM with embedded foam cores.

To validate the FSI method, sandwich parts are manufactured in RTM. Therefore, experimental measurements are conducted to characterize the materials involved in the validation. The mechanical characterization of the polymer foam core is carried out for different foam densities and at different isothermal temperatures. The results show a strong decrease of the compression modulus with decreasing density and increasing temperature.

The validation simulations show a good agreement with the predicted pressure level. With the validated model, it is possible to predict the mold-filling time and further parameters like e.g. the pressing force more accurately. A further increase in accuracy is expected when the temperature inside the mold is modeled with a more sophisticated model for heat transfer inside and between the involved materials.