Modelling and simulation of the manufacture-dependent shrinkage behaviour of glass-fibrereinforced 36epoxy resins for the improved prediction of surface-waviness and warpage

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Subject Area: Plastics Engineering
• Term: from 2018 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 415849481

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Das abgeschlossene Verbundvorhaben setzte konsequent auf eine ganzheitliche und durchgehende experimentell-numerische Methodik. So wurden im ersten Schritt umfangreiche experimentelle Untersuchungen zu bisher kaum berücksichtigten prozessabhängigen Phänomenen vorgenommen. Hierzu wurden neuartige Prüfstände entwickelt und zur Ermittlung bisher nicht zugänglicher Werkstoffphänomene verwendet. Im Ergebnis stehen umfassende quantitative und qualitative Informationen zur Relevanz der Prozessparameter Zeit, Temperatur und Druck bei der Verarbeitung schnellhärtender Matrixsysteme zur Verfügung. Des Weiteren wurden etablierte Methoden zur Bestimmung viskoelastischer Kennwerte während der Aushärtung des Matrixsystems systematisch überprüft, um daraus allgemeine Empfehlungen zur Vermeidung von Messfehlern und Fehlinterpretationen abzuleiten. Dieser Aspekt stellte sich als besonders relevant für den weiteren Projektverlauf und die Auswahl eines geeigneten Materialmodells heraus. Demzufolge wurde der eingangs ausgewählte thermo-viskoelastische Ansatz basierend auf einem verallgemeinerten Maxwell-Modell um den zusätzlichen Einfluss der Vernetzungsreaktion ergänzt und validiert. In nächsten Schritt wurde der Übergang zur mesoskopischen Größenordnung realisiert, indem die Methodik auf die Vorhersage von prozessinduzierten Oberflächenwelligkeiten angewendet wurde. Hierbei ist es gelungen, die Bedeutung von Spannungsrelaxationseffekten für die Ausprägung von Oberflächendefekten sowohl experimentell als auch numerisch nachzuweisen. Die Hypothesen H1 bis H4 konnten im Projektverlauf verifiziert werden; die Ziele Z1 und Z2 wurden erreicht. Die Hypothese H5 und die Ziele Z3 und Z4 konnten hingegen nur teilweise verifiziert bzw. erreicht werden. Grund hierfür waren die immensen Herausforderungen bei der Entwicklung der neuartigen Prüfstände sowie die für die Erstellung und Validierung des Materialmodells erforderlichen Ressourcen. In Anbetracht der im Vorhaben fokussierten experimentell-numerischen Entwicklungsmethodik und der an der Schnittstelle zwischen Experiment und Modellbildung erreichten Erkenntnisse bieten sich Anknüpfungspunkte für weiterführende wissenschaftliche und anwendungsorientierte Arbeiten.

Publications

• Thermomechanical Characterization of a Fast Curing Epoxy Resin for Simulation of Surface Waviness. Procedia Manufacturing, 47, 129-133.
  Müller, Michael; Gerritzen, Johannes; Gröger, Benjamin & Gude, Maik
  
• Einfluss von Druck, Vernetzung und Querkontraktion auf die prozessabhängige chemische Schwindung eines schnellhärtenden Harzsystems, Technomer - 27. Fachtagung über Verarbeitung und Anwendung von Polymeren (2021).
  J. Gerritzen, M. Müller-Pabel, N. Lorenz, B. Gröger, J.M. Müller, C. Hopmann & M. Gude
  
• Quantifizierung von prozessseitigen Einflussfaktoren auf die Oberflächenqualität von glasfaserverstärkten Duroplast-Bauteilen, Technomer - 27. Fachtagung über Verarbeitung und Anwendung von Polymeren (2021)
  N. Lorenz, M. Müller-Pabel, J.M. Müller, J. Gerritzen, B. Gröger, D. Schneider, K. Fischer, C. Hopmann & M. Gude
  
• Visco-thermo-elastic Simulation Approach For Prediction of Cure-induced Residual Stresses in Fiber Reinforced Composites. ESAFORM 2021.
  Müller, Jonas; Müller-Pabel, Michael; Lorenz, Niklas; Gröger, Benjamin; Gerritzen, Johannes; Gude, Maik & Hopmann, Christian
  
• A Microscale Experiment for Characterizing the Viscoelastic Fiber-Matrix-Interaction during Cure, DGM Verbund, Leoben (2022).
  M. Müller-Pabel, I. Koch, J. Kuhlmey & M. Gude
  
• Characterization and modeling cure- and pressure-dependent thermo-mechanical and shrinkage behavior of fast curing epoxy resins. Polymer Testing, 108, 107498.
  Lorenz, N.; Müller-Pabel, M.; Gerritzen, J.; Müller, J.; Gröger, B.; Schneider, D.; Fischer, K.; Gude, M. & Hopmann, Ch.
  
• Development of a High-Fidelity Framework to Describe the Process-Dependent Viscoelasticity of a Fast-Curing Epoxy Matrix Resin including Testing, Modelling, Calibration and Validation. Polymers, 14(17), 3647.
  Gerritzen, Johannes; Müller-Pabel, Michael; Müller, Jonas; Gröger, Benjamin; Lorenz, Niklas; Hopmann, Christian & Gude, Maik
  
• Measuring and understanding cure-dependent viscoelastic properties of epoxy resin: A review. Polymer Testing, 114, 107701.
  Müller-Pabel, Michael; Rodríguez, Agudo José Alberto & Gude, Maik
  
• Development and verification of a cure-dependent visco-thermo-elastic simulation model for predicting the process-induced surface waviness of continuous fiber reinforced thermosets. Journal of Composite Materials, 57(6), 1105-1120.
  Lorenz, N.; Gröger, B.; Müller-Pabel, M.; Gerritzen, J.; Müller, J.; Wang, A.; Fischer, K.; Gude, M. & Hopmann, Ch.
  
• Dielectric monitoring of gelation and cure for fast-curing epoxy resins. AIP Conference Proceedings, 3181, 020021. AIP Publishing.
  Lorenz, Niklas; Hopmann, Christian & Fischer, Kai