Makroskopische Umformsimulation von unidirektionalen Kohlenstofffasergelegen: Hyperelastische Materialmodellierung und 3D-Solid-Shell-Ansatz

Die Umformung zweidimensionaler textiler Halbzeuge in eine komplexe Geometrie ist der erste Schritt verschiedener „Liquid Composite Modling“–Prozesse zur Herstellung von Hochleistungsbauteilen für den Leichtbau mit endlosfaserverstärkten Kunststoffen. Die Umformung hat signifikanten Einfluss auf die nachfolgenden Prozessschritte und die Eigenschaften des fertigen Bauteils. Die Prozessauslegung kann durch geeignete Simulationsmethoden unterstützt werden, um eine defektfreie Herstellbarkeit zu gewährleisten und das Potenzial des Werkstoffs voll auszuschöpfen. Unter den technischen Textilien bieten unidirektionale Kohlenstofffasergelege (UD-Gelege) die beste Verstärkungswirkung und somit das höchste Leichtbaupotenzial. Im Gegensatz zu umfangreich erforschten Geweben, die sich durch eine reine Scherdeformation leicht drapieren und mit einfachen nicht-orthogonalen Materialmodellen modellieren lassen, wird das stark asymmetrische Umformverhalten von UD-Gelegen durch die extrem flexiblen Nähte und das Abgleiten zwischen den Faserrovings innerhalb der Lagen bestimmt. Dadurch sind UD-Gelege mit großen Herausforderungen hinsichtlich ihrer Drapierbarkeit und Modellierung verbunden, wobei unter anderem die Kompaktierung in Dickenrichtung während der Umformung aufgrund fehlender dreidimensionaler Modellierungsansätze kaum erforscht ist.
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In dieser Arbeit [1] werden die relevanten Umformmechanismen von UD-Gelegen anhand experimenteller Untersuchungen herausgearbeitet und zur Entwicklung effizienter makroskopischer Modellierungsansätze für den Einsatz in der virtuellen Prozessauslegung genutzt. Dabei werden drei Hauptziele erreicht:
1. Systematische Charakterisierung der inter- und intra-ply Deformationsmechanismen, sowie quantitative Analyse des Umformverhaltens von uni- und bidirektionalen Gelegen. Die spezifischen Herausforderungen von UD-Gelegen werden identifiziert, um eine Prozessmodellierung und deren Validierung zu ermöglichen.
2. Entwicklung eines makroskopischen Umformsimulationsmodells für UD-Gelege mit 2D-Finite-Elementen basierend auf einem hyperelastischen Ansatz mit ausreichender Komplexität zur genauen Beschreibung der relevanten Deformationsmechanismen, bei gleichzeitig vereinfachter Parametrisierung und schneller Übertragbarkeit auf andere Werkstoffe.
3. Entwicklung eines 3D-Solid-Shell-Elements zur simultanen Vorhersage des stark anisotropen Deformationsverhaltens faserverstärkter Kunststoffe sowie deren Kompaktierung in Dickenrichtung während der Umformung

[1] B. Schäfer. Macroscopic forming simulation of unidirectional non-crimp fabrics: Hyperelastic material modeling and 3D-solid-shell approach. Dissertation. Karlsruhe Institut für Technologie, 2024. DOI: 10.5445/IR/1000170739