Mehrskalige Modellierung von thermoplastischen Faserverbundkunststoffen während des Thermoformens

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Gries; Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314569760

Herkömmliche Faserverbundkunststoffe enthalten duroplastische Matrixsysteme, in denen das Polymer durch eine chemische Reaktion irreversibel ausgehärtet wird. Der besondere Vorteil neuartiger thermoplastischer Faserverbundkunststoffe besteht darin, dass sie wiederholt erwärmt, verformt und abgekühlt werden können. Weitere Vorteile dieser Werkstoffgruppe sind kurze Zykluszeiten, einfache Lagerung und Handhabung, erhöhte Zähigkeit sowie Recyclingfähigkeit. Aus diesem Grund werden thermoplastische Faserverbundkunststoffe immer beliebter. Der Bauteilhersteller heizt das Halbzeug auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur auf und vergibt die endgültige Bauteilform durch Tiefziehen.Häufig ist jedoch die Prozessstabilität nur schwer zu gewährleisten. Aufgrund von thermischen Gradienten und Unterschieden der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Faser und Matrix treten Residualspannungen auf, die zu Bauteilverzug führen können. Um dies zu vermeiden, müssen Prozessparameter wie Heiz- und Kühlraten, Werkzeuggeometrie und Positionierung des Bauteils meist mühselig durch Versuch und Irrtum eingestellt werden. Hierdurch werden potenzielle Zeit- und Kostenvorteile oft wieder zunichte gemacht. Zur Verbesserung der Situation können rechnergestützte Modelle des Thermoformens beitragen. Dazu müssen diese in der Lage sein, Residualspannungen und Bauteilverzug vorherzusagen, was durch existierende Modelle nicht gewährleistet ist. Als notwendig erweist sich die Berücksichtigung der Entstehung von Residualspannungen auf mehreren Skalen, sowohl auf der Faser- als auch auf der Garnebene, wobei das Garn mehrere tausend Fasern umschließt. Die gesamte Spanne der Prozesstemperatur des Thermoplasts ist zu erfassen, von Raumtemperatur bis zur Schmelze und zurück. Schließlich muss das Aufschmelzen und Erstarren des Polymers unter Berücksichtigung der Fasern voll charakterisiert und modelliert werden.Das wesentliche Ziel des Projektes ist die skalenübergreifende Simulation des Thermoformens. Es ergeben sich drei Hauptinnovationen. Zum einen wird ein Konstitutivgesetz für die thermoplastische Matrix für die gesamte Spanne der Prozesstemperatur des Thermoformens entwickelt. Dieses Konstitutivgesetz wird sowohl auf der Faser- als auch auf der Garnebene verwendet. Als Zweites wird ein Garnmodell für feste und flüssige Matrixphasen entwickelt. Schließlich werden die Modelle für Matrix und Garn über die gesamte Temperaturspanne hinweg experimentell charakterisiert. Es wird erwartet, dass daraus ein mehrskaliges Simulationsmodell für das Thermoformen von bisher nicht vorhandener Genauigkeit entsteht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen