Entwicklung und Validierung einer virtuellen Prozesskette für Faserverbundbauteile unter Berücksichtigung von Imperfektionen am Beispiel einer Rotorblattkomponente

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Axel Herrmann; Dr.-Ing. Jan-Hendrik Ohlendorf; Professor Dr.-Ing. Raimund Rolfes; Professor Dr.-Ing. Klaus-Dieter Thoben
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329147126

Dieses Projekt soll es ermöglichen, durch eine durchgängige Prozesssimulation (Fertigungssimulation und strukturmechanische Simulation) Fehler bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen zu reduzieren und Prozessschwankungen durch genauere Kenntnis der zugrundeliegenden Prozesszusammenhänge zu verringern. Der aktuell vorhandene Forschungsbedarf besteht durch die bisher nur prozessschrittspezifischen Erkenntnisse und eine noch fehlende durchgängige Prozesssimulation. In diesem Vorhaben wird der Aufbau einer virtuellen Prozesskette für die Fertigung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff für ein Windenergie-Rotorblatt als konkretes Ziel betrachtet. Um eine Aussage über die mechanische Festigkeit des Bauteils zu treffen, wird der Fertigungsprozess mittels einer Drapier- und Handhabungssimulation und einer Infusionssimulation dargestellt und wird die Aushärtung in geeigneter Weise in die Strukturanalyse einbezogen. Die so ermittelten Prozesskennwerte über die tatsächliche Lage der Rovings und der Harzsättigung können in der abschließenden Festigkeitsanalyse des fertigen Verbundbauteils verwendet werden. Der Einfluss herstellungsprozessbedingter Fehler auf das strukturmechanische Verhalten wird mit geeigneten Finite-Elemente-Modellen in systematischen, numerischen Untersuchungen quantifiziert. Probabilistische Analysen in allen Phasen der Prozesssimulation, in denen die statistische Verteilung von Imperfektionen berücksichtigt wird, liefern die entsprechende Streuung der strukturmechanischen Ausgangsgrößen.Die Analyse der gesamten Prozesskette - Fertigungssimulation und strukturmechanische Simulation - ermöglicht, den Einfluss von fertigungsbedingten Imperfektionen auf das strukturmechanische Verhalten eines fertigen Bauteils abzubilden und so Fehlertoleranzen in der Fertigung zu bestimmen. Dies wird speziell durch den vorgestellten neuen Ansatz der Berücksichtigung der wichtigsten Imperfektionen (z. B. geometrische Abweichungen oder Streuung von Materialeigenschaften) auf unterschiedlichen Modellierungsebenen erreicht. Dafür wird der Faser-Kunststoff-Verbund auf bis zu drei Ebenen - der Mikroebene (Einzelfaser), der Mesoebene (Roving) und der Makroebene (Roving-Verbund) - detailliert analysiert. Auf Basis der Ergebnisse der durchgängigen Prozesssimulation können Kriterien und Entwurfsregeln für Fehlertoleranzen - Fehler, die bei dem Fertigungsprozess eines typischen, relevanten Bauteils als zulässig betrachtet werden können - erstellt werden, um damit den Ausschuss zu reduzieren und Zertifizierungsprozesse zu erleichtern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen