Simulation-assisted development of material-, load- and process-specific inserts for thermoplastic composites

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Subject Area: Lightweight Construction, Textile Technology ; Engineering Design, Machine Elements, Product Development
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 408132410

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde eine neuartige Methodik zur simulationsgestützten Entwicklung von Lasteinleitungszonen mit warmumformtechnisch eingebetteten Inserts in thermoplastische Faser- Kunststoff-Verbunde (FKV) erarbeitet. Mittels eines neuartigen automatisierten Verfahrens können Inserts warmumformtechnisch bereits während des Bauteilfertigungsprozesses in thermoplastische FKV integriert werden. Dazu formt ein Dornwerkzeug ein Loch und positioniert gleichzeitig das Insert im erweichten Verbund. Hierbei werden die lasttragenden Verstärkungsfasern nicht durchtrennt sondern umorientiert. Dies führt zu einer skalenübergreifend komplexen Werkstoffstruktur mit örtlich variierenden Faserorientierungen und Faservolumengehalten. Die aus der Einformung resultierende Werkstoffstruktur beeinflusst deutlich das Tragverhalten derartiger Lasteinleitungszonen und muss daher bei der Auslegung berücksichtigt werden. Im Rahmen des Vorhabens wurde eine durchgängig validierte Methodik zur quantitativen Analyse der lokalen Werkstoffstruktur in der Lasteinleitungszone erarbeitet. Dabei werden mit Hilfe der Computertomographie (CT) die lokalen Faserorientierungen und Faservolumengehalte in der Lasteinleitungszone auf Mikroskala erfasst. Aus diesen ortsbezogenen Informationen zur Werkstoffstruktur können die lokalen werkstoffmechanischen Eigenschaften abgeleitet und in entsprechende Finite-Elemente-(FE-)Modelle überführt werden. Für eine effiziente Überführung der Werkstoffstrukturinformationen in lokale Materialparameter wurden entsprechende Übertragungsskripte entwickelt. Für die virtuellen Tragfähigkeitsanalysen kam ein viskoelastisch-plastisches Materialmodell zum Einsatz, für dessen Kalibrierung eine umfangreiche experimentelle Werkstoffcharakterisierung für verschiedene Faservolumengehalte durchgeführt wurde. Anhand der FE-Modelle, welche die lokal in der Lasteinleitungszone variierenden Materialeigenschaften beinhalten, ist es möglich, das Deformations- und Schädigungsverhalten der Lasteinleitungszone für auslegungsrelevante Belastungen numerisch zu beschreiben. Hierbei wurde festgestellt, dass die Modellierung für eine realitätsnahe Beschreibung des Schädigungs- und Versagensverhaltens zukünftig noch sowohl für niedrige als auch sehr hohe FVG weiterentwickelt werden sollte. Durch eine systematische Analyse des Tragverhaltens derartiger Lasteinleitungszonen unter Variation der Belastungsart, des Insertdurchmessers, der Insertgeometrie, des initialen Laminataufbaus und der Belastungsrichtung konnte eine solide Datenbasis für die Ableitung von Gestaltungs- und Dimensionierungshinweisen unter Berücksichtigung von werkstoff- und prozesstechnischen Gesichtspunkten erarbeitet werden. Darüber hinaus konnte das hohe Anwendungspotential eingeformter Inserts durch die hohen Tragfähigkeiten im Vergleich zu etablierten, nachträglich integrierten Lasteinleitungselementen aufgezeigt werden. Die entwickelte Methodik zur experimentell gestützten, numerischen Berechnung ist nicht nur für Lasteinleitungszonen mit eingeformten Inserts anwendbar, sondern lässt sich auch auf andere umformtechnische Fügeprozessen in FKV mit entsprechenden prozessinduzierten Werkstoffstrukturphänomenen übertragen. Dabei kann die Methodik zur quantitativen Analyse der lokalen Werkstoffstruktur und der anschließenden Übertragung der Werkstoffstrukturinformationen in FE-Modelle zukünftig auch zur Validierung von Simulationen der Umformvorgänge während des Fügeprozesses genutzt werden.

Publications

• Process-integrated embedding of metal inserts in continuous fibre reinforced thermoplastics. Procedia CIRP, 85, 84-89.
  Troschitz, J.; Kupfer, R. & Gude, M.
  
• Experimental investigation of the load-bearing capacity of inserts embedded in thermoplastic composites. In: Proceedings Hybrid Materials & Structures 2020, 28.-29.04.2020, S. 249–254
  Troschitz, J.; Kupfer, R. & Gude, M.
  
• Damage Analysis of Thermoplastic Composites with Embedded Metal Inserts Using In Situ Computed Tomography. Journal of Composites Science, 6(10), 287.
  Troschitz, Juliane; Füßel, René; Kupfer, Robert & Gude, Maik
  
• Joining Processes for Fibre-Reinforced Thermoplastics: Phenomena and Characterisation. Materials, 15(15), 5454.
  Troschitz, Juliane; Gröger, Benjamin; Würfel, Veit; Kupfer, Robert & Gude, Maik