Entwicklung und Validierung einer virtuellen Prozesskette für Faserverbundbauteile unter Berücksichtigung von Imperfektionen am Beispiel einer Rotorblattkomponente
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsvorhaben wurde der Herstellungsprozess von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff experimentell und numerisch untersucht. Der Fokus lag auf den Prozesszusammenhängen in der Fertigung, mit dem Ziel die Prozessschwankungen zu verringern und Herstellungsfehler zu reduzieren. Im Rahmen des Projekts wurden die Mikroporosität auf Mikroebene und die kurzwellige Ondulation auf Mesoebene als relevante Imperfektionen identifiziert. Die kurzwelligen Ondulationen, die Imperfektionen der Mesoebene darstellen, wurden durch einen Oberflächenscan des Textils und eine entsprechende Bildverarbeitungsanalyse identifiziert. Anschließend wurde ein Textilmodell mit äquivalenten Imperfektionen entwickelt. Das Textil wurde Materialcharakterisierungstests unterzogen, um seine geometrischen und mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Im Nachgang wurden numerische FE-Simulationen durchgeführt, um die simulationsäquivalenten Werte der mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Mit Hilfe des Textilmodells wurden Abrollsimulationen durchgeführt, und die Roving-Pfade des abgerollten Textils im Anschluss extrahiert. Zur Reduzierung der Rechenzeiten wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, um die Roving-Pfade anhand der Simulationsdaten zu extrapolieren. Zur Validierung der aus der Simulation ermittelten Roving-Pfade wurden Abrollexperimente durchgeführt und die resultierenden Roving-Pfade vermessen Die erhaltenen Ergebnisse stimmten gut mit den Simulationen überein. Die Roving-Pfade der abgerollten Schichten wurden dann zur weiteren Verwendung an die Harzflusssimulation übertragen. Das Kompaktierungsverhalten des Materials wurde mithilfe eines Linienlasers während der Harzinfusion untersucht. Die Änderung der Bauteildicke, die durch das einströmende Harz/Härter-Gemisch entsteht, beeinflusst während des Prozesses die Permeabilität und damit das Fließverhalten. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die Verwendung von semipermeablen Membranen am Auslass des Vakuumaufbaus dazu führt, dass die Dicke und der Druck nach dem vollständigen Füllen bei weiterhin geöffnetem Zufluss des Bauteils ansteigen. Die Permeabilität wurde auf Mikro- und Mesoebene virtuell bestimmt. Auf der Mikroebene können mit Hilfe eines eigens entwickelten Tools die Einflüsse von ungeordneten Einzelfilamenten mit variierenden Faserdurchmessern untersucht werden. Die ungeordneten Fasern weisen dabei für Faservolumengehalte kleiner 72 % eine geringere Permeabilität im Vergleich zu quadratisch angeordneten Fasern auf. Für die Mesoebene werden die Daten der Abrollsimulation genutzt, um Einheitszellen zu erstellen, die die Imperfektionen des Abrollvorgangs berücksichtigen. Dabei zeigt die In-Plane-Ondulation einen deutlichen Einfluss auf die Permeabilität in Faser- und Dickenrichtung. Auf Mikroebene wurde der Einfluss der Porosität auf die Zwischenfaser Festigkeit und Steifigkeit numerisch untersucht. Durch einen 3D-Modellierungsansatz wurden in der Simulation Mikroporen abgebildet. Dabei wurden die in der Literatur übliche Annahme eines ebenen Verzerrungszustandes aufgegeben und die mögliche Überlagerung von Fasern und Poren berücksichtigt. Aus den Ergebnissen ging hervor, dass der Einfluss der Porosität auf das mechanische Verhalten für das im Projekt exemplarisch gefertigte Bauteil mäßig bleibt und im Wesentlichen die fasertransversalen Eigenschaften betrifft. Die im Projekt als wesentlich erkannte kurzwellige Faserondulation auf Mesoebene wurde auch in Hinblick auf ihren Effekt auf mechanische Eigenschaften weiter untersucht. Dafür wurde ein Monte-Carlo Ansatz gewählt um die statistische Verteilung der Druckfestigkeit infolge der Faserfehlausrichtungen des Textils unter Berücksichtigung des Größeneffekts vorherzusagen. Es konnte gezeigt werden, dass die Weibull- Weakest-Link-Theorie gut geeignet ist, um den größenbedingten Festigkeitsverlust in einzelnen Lagen vorherzusagen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass mit zunehmender Anzahl der Lagen im Laminat der negative Effekt der kurzwelligen Ondulation auf Lagenebene gemildert wird und die Festigkeit entgegen der Annahme des Größeneffekts steigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Experimental and Numerical Analysis of Three-Point Bending and Cantilever Tests to Determine the Bending Behaviour of Technical Textile Rovings” In: Proceedings of the NAFEMS 18. DACH Conference, Bamberg, 14-16 May 2018, pp. 234–243, ISBN: 978-1-910643-14-3
L. Krishnappa, J.-H. Ohlendorf, A. Drieling and K.-D. Thoben
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“Influence Of Stitch, Testing Speed and Pre-Tension on the Shear Behaviour of Non-Crimp Fabrics”, SAMPE Europe, 17-19 Sep 2019, Nantes, France. ISBN: 978-9-082910-11-7
L. Krishnappa, J.-H. Ohlendorf, M. Brink and K.-D. Thoben
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“The effect of voids on the mechanical behavior of UD- plies”, 7th ECCOMAS Thematic Conference on the Mechanical Response of Composites, COMPOSITES 2019, Girona
G. Gottlieb, B. Daum, S. Scheffler, R. Rolfes
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“A Finite Element Simulation Approach to Characterise the Draping Behaviour of 0/90°Technical Textiles”, Wind Energy Science Conference (WESC), 25-28 May 2021, Hannover, Germany
L. Krishnappa, J.-H. Ohlendorf, M. Brink and K. D. Thoben
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“A numerical investigation of the statistical size-effect in non-crimp fabric laminates under homogeneous compressive loads”, Journal of Composite Materials, 2021
B. Daum, G. Gottlieb, N. Safdar, M. Brod, J.-H. Ohlendorf and R. Rolfes
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“Investigating the factors influencing the shear behaviour of 0/90∘ non-crimp fabrics to form a reference shear test,” Journal of Composite Materials, vol. 55, no. 20, 2021
L. Krishnappa, J.-H. Ohlendorf, M. Brink and K.-D. Thoben
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“Investigation of the vacuum infusion process regarding the compaction behaviour of a unidirectional non-crimp fabric”, Expert*innen-Tage Verbundwerkstoffe, 2021
D. Droste, A. Miene, S. Wendelken, A. S. Herrmann
