Druckabhängige Modellierung von duromeren Epoxid-Harzen zur Verwendung in Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die durch das Vorhaben erreichten Fortschritte liegen insbesondere in dem Erkenntnisgewinn zum Druckeinfluss auf das Aushärteverhalten von Epoxidharzen und auf den Verzug von Faserverbundbauteilen. Das druckabhängige Verhalten wurde durch experimentelle Untersuchungen nachgewiesen und durch geeignete Modelle abgebildet. Innerhalb des Projektes wurden ein vollständiges viskoelastisches Materialmodell erstellt, das in Abhängigkeit des Drucks das Materialverhalten vorhersagt und für die Prozesssimulation des HD-RTM-Verfahrens geeignet ist. Auf Grundlage dessen ist eine Vorhersage des Bauteilverzugs in Abhängigkeit des Werkzeuginnendrucks möglich. In experimentellen Untersuchungen wurde bestätigt, dass der eine Druckabhängigkeit der Vernetzungsreaktion und des finalen Aushärtegrades besteht. Durch eine Druckerhöhung von 8 auf 80 bar erhöht sich der Aushärtegrad um circa 1 %. Dadurch verkürzt sich bei einem Zielaushärtegrad von beispielsweise 98 % die Aushärtezeit um etwa zwei Minuten, was bezogen auf die Gesamtzeit eine Zyklusverkürzung von über 8 % ergibt. Aus Anwendersicht ist diese Zeitersparnis nicht zu vernachlässigen, da dies vor allem im Serienprozess mit einer Kostenreduktion einhergeht. Es konnte ebenso gezeigt werden, dass ein möglicher Einfluss des Werkzeuginnendrucks während der Herstellung mit Standardequipment nicht nachgewiesen werden kann. Somit ist davon auszugehen, dass dieser im praktisch nicht relevanten Bereich liegt. Im Verlauf des Projekts stellte sich heraus, dass die Messung der dielektrischen Eigenschaften des Harzes während des Fertigungsprozesses mittels einer DEA nicht geeignet ist, um einen Druckeinfluss zu identifizieren. Letztendlich konnten dadurch keine Rückschlüsse auf eine Druckabhängigkeit des freien Volumens gezogen werden. Die Frage, ob sich die freie Volumentheorie zur Beschreibung der Auswirkungen des Drucks auf das Aushärteverhalten von Epoxidharzen eignet, konnte somit im Rahmen des Projekts nicht beantwortet werden. Um die experimentell belegte Druckabhängigkeit der Vernetzungsreaktion in das Modell zu implementieren, wurde ein Reaktionskinetikmodell entwickelt, in das die Prozessgröße Druck direkt eingeht. Die Integration des Drucks in die weiteren Materialeigenschaften wird indirekt durch ihre Abhängigkeit vom Aushärtegrad umgesetzt. Das entwickelte Kinetikmodell weist eine sehr gute Vorhersagequalität auf, was einen indirekten Qualitätsnachweis bzw. eine Kostenreduktion in der Anwendung im Industriemaßstab ermöglicht. Die Beschreibung des mechanischen Materialverhaltens erfolgte über eine viskoealstische und materialphasenabhängige Modellierung in Abhängigkeit der Prozessgrößen Temperatur, Zeit und dem druckabhängigen Aushärtegrad. Durch geeignete Mischungsregeln wurde das Matrixverhalten auf das Faserverbundverhalten erweitert und in eine benutzerdefinierte Materialsubroutine überführt, die in das Abaqus-Simulationsmodell eingebunden werden kann. Eine Verzugsmessung der im HD-RTM-Verfahren unter verschiedenen Drücken hergestellten Probekörper mittels der Lasertriangulation, ergab kleine Unterschiede in Abhängigkeit des Drucks. Höhere Drücke führten bei einem Großteil der Prüfkörper zu kleineren Verformungen in z-Richtung. Auf Grund der Messmethode und manuellen Ausrichtung der Probekörper ist allerdings eine validierte, quantitative Aussage auf Grundlage der Ergebnisse nicht möglich. Die Ergebnisse der Prozesssimulation stimmten qualitativ mit den gemessenen Verzugsbildern überein und weisen eine Druckabhängigkeit auf. Allerdings unterschätzt das Simulationsergebnis die Messung um ein Vielfaches. Dies ist mit hoher Wahrscheinlichkeit sowohl auf die Entformungs- und Messbedingungen, als auch auf getroffene Vereinfachungen im Simulations- und Materialmodell zurückzuführen. Damit die druckabhängige Prozesssimulation eine bessere Vorhersagequalität bietet, wird am FIBRE an einer weiteren Optimierung der Modelle gearbeitet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Investigations on the Influence of High Pressures on the Curing Behaviour and Material Properties of Composite Structures for the Development of a Material Model." Advances in Polymer Processing 2020. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 2020. 313-323
Gushurst, Nadine, Frerich, Tim and Herrmann, Axel S.
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“Investigations on the influence of high pressures on the curing behaviour and material properties of composite structures for the development of a material model." International Symposium on Plastics Technology, Aachen, Deutschland, 7. September 2020
Gushurst, Nadine
