Multi-Scale Modelling of Thermoplastic Fibre Reinforced Composites during Thermoforming
Mechanics
Final Report Abstract
Das Ziel des DFG-Projekts ThermoformSim ist die Entwicklung eines Simulationsansatzes, der den Umformprozess (Thermoformen) von thermoplastischen endlosfaserverstärkten Faserverbundkunststoffen (TFVK) detailliert abbildet. Dabei wurden im Laufe des Projekts zwei zentrale Entwicklungen durchgeführt: Ein Mikromodell zur Abbildung der Filament-Matrix Interaktion und ein Matrix-Werkstoffmodell zur Abbildung der komplexen temperaturbedingten Mechanismen von teilkristallinen Polymeren. Die Entwicklung des Filamentmodells hat deutlich mehr Zeit benötigt als angedacht, weshalb eine Verknüpfung des Mikromodells und des Materialmodells des Polymers noch in Entwicklung ist. Die Homogenisierung der Eigenschaften des Filaments auf der Mikroskala zur Einbindung in eine Mesoskalen-Simulation konnte deshalb noch nicht erfolgen. Im Folgenden wird auf die zwei Neuentwicklungen und deren Potentiale eingegangen. Matrix-Werkstoffmodell: Zunächst ergaben isotherme und nicht isotherme DSC Untersuchungen neue Aufschlüsse über das Kristallisationsverhalten von Ultraamid B40 (Polyamid 6). Des Weiteren führten umfängliche mechanische Prüfverfahren bei variierender Kristallinität und Temperatur zu neuen Erkenntnisse des temperaturabhängigen Einflusses des Kristallinitätsgrades auf die mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffs. Diese Daten dienten als wesentlicher Input zur Entwicklung eines thermo-viskoplastischen Konstitutivgesetzes, das den Kristallisationsprozess aus der Schmelze und die korrespondierenden, prozessabhängigen mechanischen Eigenschaften des Polymers mit abbildet. Das entwickelte Modell erlaubt somit eine ausführliche Analyse der lokalen Kristallinität und der resultierenden (ggf. heterogenen) Materialeigenschaften bei beliebigen Abkühlprozessen von Polyamid 6. In der aktuellen Forschung dient dieses Modell zur Abbildung des Matrixverhaltens im Zuge der Filamentmodellierung und wird in Zukunft auch zur Modellierung der Mesoskala bei der Thermoformsimulation eingesetzt werden. Außerdem sind Anwendungen im Bereich verschiedener thermischer Produktionsprozesse von reinen Polymerbauteilen denkbar (z.B. Spritzgießen, Vakuumtiefziehen, etc.). Filament-Matrix Interaktionsmodell: Um die Kontaktmechanik zwischen den Fasern bei flüssiger Matrix berücksichtigen zu können, wurde für die Entwicklung eines Interaktionsmodells die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) verwendet. Diese effiziente Methode ermöglicht grundsätzlich eine hohe Anzahl an Simulationen mit zufallsbasierter Faserverteilung und somit eine schnelle Ermittlung der statistischen Verteilung für die mikromechanischen Eigenschaften der Garne. Bisher kann die Filament-Matrix Interaktion jedoch nur mit einem vereinfachten Materialmodell für die Matrix abgebildet werden. Eine Erweiterung um das entwickelte, inelasitsche Konstitutivgesetz des Thermoplastes ist daher in Zukunft zwingend erforderlich, um den neu entwickelten DEM-Ansatz mit der konventionellen, aber ineffizienteren FE-Methode vergleichen zu können. Ob in Zukunft zur Abbildung der Filamente die DE- oder FE-Methode herangezogen wird, spielt im Zuge der Entwicklung des geplanten Mehrskalenansatzes zur Thermoformsimulation eine untergeordnete Rolle. Entscheidender hingegen ist die Entwicklung neuer experimenteller Methoden zur Untersuchung größerer Bereich der prozessrelevanten Kristallinitätsgrade oberhalb des Glasübergangs und eine einhergehende Weiterentwicklung des Matrixmodells. Es ist zu erwarten, dass der vorgeschlagene Mehrskalenansatz zu neuen Erkenntnissen hinsichtlich des Beginns und der Entwicklung des Bauteilverzugs führen wird. So können individuelle Empfehlungen bezüglich der Werkzeuggestaltung und des Prozessablaufes zur Gewährleistung einer hohen Prozessstabilität und Bauteilqualität formuliert werden.
Publications
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Multiscale FE-FFT-based thermo-mechanically coupled modeling of viscoplastic polycrystalline materials, Proceedings of the 7th GACM Colloquium on Computational Mechanics for Young Scientists from Academia and Industry, S. 799-802, 2017
Felder, S.; Kochmann, J.S.; Wulfinghoff, S.: Reese, S.
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A finite strain elasto-plastic material model for semicrystalline polymers incorporating kinematic and isotropic hardening, Proceedings of the 18th European Conference on Composite Materials, 2018
Felder, S.; Simon, J.-W.; Reese, S.
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A Finite strain elasto-plastic material model incorporating kinematic and isotropic hardening for thermoplastic polymers, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, Vol. 18, ISSN: 1617-7061,: e201800233, 2018
Felder, S.; Simon, J.-W.; Reese, S.
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Micro-scale model of fibers for a multi-scale modeling approach of thermoplastic fiber reinforced polymers, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 406, 2018
Hesseler, S.; Stapleton, S.E.; Yakovlev, V.; Appel, L.; Gries, T.
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A finite strain, thermo-mechanically coupled material model for semi-crystalline polymers, incorporating crystallisation kinetics, 15th Int. Conf. on Comput. Plasticity, Fundamentals and Applications., S. 249-260, 2019
Felder, S.; Holthusen, H.; Hesseler, S.; Pohlkemper, F.; Simon, J.-W.; Gries, T.; Reese, S.
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Experimental and numerical investigation of the material behavior of semi-crystalline Polyamide 6, Technische Mechanik, Vol. 40(1), S. 22-30, 2020
Felder, S.; Vu, N. A.; Reese, S; Simon, J.-W.
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Modeling the effect of temperature and degree of crystallinity on the mechanical response of Polyamide 6, Mechanics of Materials, Vol 148, 103476, 2020
Felder, S.; Vu, N.A.; Reese, S.; Simon, J.-W.
