Experimentelle Untersuchungen zur Fluid-Struktur-Interaktion im Wet Compression Molding Prozess

Der Wet Compression Molding Prozess und dessen Prozesskette, zur großvolumigen Herstellung kontinuierlich faserverstärkter Verbundbauteile mit duromerer Matrix, ist seit 2013 in der Serienproduktion im Einsatz. Geringere Zykluszeiten lassen sich aufgrund des gleichzeitigen Drapierens des mit Matrix benetzten textilen Halbzeugs in Kombination mit der Parallelisierung der Prozessschritte Aushärtung und Matrixapplikation realisieren. Während des Kompressionsschritts findet, zusätzlich zur Umformung des initial getränkten textilen Halbzeugs, eine erzwungene Fluidausbreitung der Matrix sowohl über der, als auch durch die permeable Faserstruktur statt. ... mehrIn Abhängigkeit der Prozessparameter können sich Fluid-Struktur-Interaktionen ergeben, die zu Verschiebungen von Fasern, als auch zur Beeinflussung der Faserimprägnierung führen können. Beides beeinflusst die Bauteilqualität negativ. So führen bereits geringe Änderungen der Faserorientierung in Relation zur Lastrichtung zur Minderung der mechanischen Performance. Gleichzeitig kann eine inhomogene Tränkung die Häufigkeit von Lufteinschlüssen und somit Poren innerhalb der Bauteilstruktur erhöhen.
Dementsprechend ist das Ziel dieser Arbeit die Identifizierung kritischer Prozessparameter während des Kompressionsschritts beim WCM Prozess. Des Weiteren sollen Mechanismen, die zur Entstehung fluidinduzierter Faserverschiebungen führen, evaluiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit folgt eine vergleichende Betrachtung der Fluidausbreitung beim WCM Prozess mit und ohne simultane Umformung des textilen Halbzeugs. Hierzu wird die Fluidausbreitung mit Hilfe eines transparenten Werkzeugs anhand einer generischen Geometrie auf Prüfstandebene visualisiert. Zur weiteren Analyse der Formfüllung findet abschließend eine makroskopische Betrachtung der Fluidausbreitung mit und ohne simultaner Umformung anhand eines komplexen generischen Demonstrators statt.

The wet compression molding (WCM) process provides high-volume production potential for continuously fiber-reinforced composite components with thermoset matrix. Lower cycle times are enabled by simultaneous infiltration, draping and consolidation in a single process step. During compression, the applied matrix is forced over and through the porous fiber stack, which can lead to undesired fiber displacements. This is especially important since already minor changes in fiber orientation can reduce the mechanical performance. To be able to prevent such undesired process effects, the compression step is comprehensively evaluated in this study to explore relations between process control parameters, such as closing speed, and superficial flow-induced fiber displacements. ... mehrDepending on the process parameters, fluid-structure interaction can influence the fiber impregnation, leading to inhomogeneous fluid dispersion which can increase the amount of voids.
Accordingly, this works aims to identify critical process parameters during the compression step of the WCM-process. Furthermore, mechanisms leading to the development of fluid-induced fiber displacement are to be evaluated. In the further course of the work, the fluid dispersion during the WCM process with and without simultaneous forming of the fiberous stack will be compared. For this purpose, the fluid propagation is visualized. For further analysis of the mold filling, a macroscopic observation of the fluid propagation with and without simultaneous forming takes place using a complex generic demonstrator.