Modellierung der Fluid-Struktur-Interaktion und Vorhersage möglicher Reinharzbereiche bei der Formfüllung von Faserverbund-Sandwichbauteil (FSI-Sandwich-2)

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Luise Kärger
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449100283

Sandwichbauteile mit Decklagen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und einem sehr leichten Kernmaterial besitzen sehr hohe spezifische Biegesteifigkeiten und sind damit optimal geeignet für Leichtbauanwendungen z.B. in den Bereichen Luftfahrt oder Automotive. Um eine möglichst kurze Prozesszeit mit wenigen Fertigungsschritten in einem großserienfähigen Prozess zu erreichen, bietet sich die Möglichkeit einer intrinsischen Sandwichbauteilfertigung im Resin Transfer Molding (RTM) an. Hierzu wird der Schaumkern zwischen die trockenen Faserhalbzeuge gelegt, und anschließend wird in einem beheizten Werkzeug unter Druck ein flüssiges Harz injiziert. Dabei muss das Druckniveau während der Injektion jedoch unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften des Sandwichkernmaterials so ausgelegt werden, dass plastische Verformungen des Kerns (1. Projektphase FSI-Sandwich) und Ablösungen zwischen Halbzeug und Werkzeug oder Kern (2. Projektphase FSI-Sandwich-2) während der Herstellung vermieden werden. Für die virtuelle Auslegung des Prozesses wurde in der 1. Projektphase von FSI-Sandwich eine Formfüllsimulationsmethode entwickelt, welche die Fluid-Struktur-Interaktion zwischen der Harzausbreitung, der Schaumkern- und der Halbzeugdeformation erfasst. Zusätzlich zur Deformation des Schaumkerns und der damit einhergehenden Änderung des Faservolumengehalts hat auch die Ablösung des Halbzeugs vom Kern und die Ausbildung von Reinharzbereichen einen großen Einfluss auf den Prozessverlauf und die Bauteilqualität. Daher soll die FSI-Methode in der 2. Projektphase erweitert werden, um die Deformationen der Fluiddomäne und des Faserhalbzeugs separat, aber mit fluid-struktur-mechanischer Interaktion abzubilden, so dass sich das poröse Medium relativ zur deformierbaren Fluiddomäne bewegen kann. Die Methodenentwicklung und -validierung erfolgt in zwei Stufen: Zunächst wird die Deformation des Faserhalbzeugs durch eine starre Fluiddomäne betrachtet. In der zweiten Entwicklungsstufe wird die Halbzeugbewegung an eine sich verformende Fluiddomäne gekoppelt, wobei die Verformung der Fluiddomäne von der Bewegung des Werkzeugs oder der Deformationen des Schaumkerns abhängen kann. Die FSI-Schnittstelle wird entsprechend erweitert, um vorhersagen zu können, ob und wie stark sich das Halbzeug im Prozess vom Werkzeug oder Schaumkern ablöst. Die Methodenentwicklung wird durch vorangeschaltete Charakterisierungsversuche und Materialmodellierung der dissipativen Halbzeugdeformation sowie anschließende Validierungsversuche unterstützt und abgesichert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen