Modellierung des Thermoformprozesses von langfaserverstärkten Thermoplasten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Lion; Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454873500

Der neuartige Einsatz von thermoplastischen Polymeren in Faserverbundkunststoffen bietet den Vorteil, dass diese (im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten) wiederholt erwärmt, verformt und abgekühlt werden können. Aufgrund der vielen Vorteile (kurze Zykluszeiten, einfache Lagerung und Handhabung, erhöhte Zähigkeit und Recyclingfähigkeit) wächst der Markt für thermoplastische Systeme seit Jahren überdurchschnittlich um 5% pro Jahr. Zur Verarbeitung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen (TPFVK) eignet sich insbesondere das Thermoformen. Im Zuge dessen ist die Prozessstabilität jedoch häufig nur schwer zu gewährleisten. Aufgrund von thermischen Gradienten, der Faser-Matrix-Interaktionen und des komplexen Kristallisationsverhaltens beim Erstarren der eingesetzten Polymermatrix, treten Residualspannungen auf mehreren Skalen auf, die zu Bauteilverzug sowie zu Schädigungen führen können. Konventionelle „Trial-and-Error“ Ansätze sind kaum geeignet um diese Defekte zu vermeiden. Stattdessen stellen computergestützte Modelle eine vielversprechende Alternative dar.Das übergreifende Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs zur Vorhersage des Thermoformprozesses von TPFVK. Im Zuge dessen ist es zum einen entscheidend, die heterogenen Temperaturfelder und Wärmeströme vorherzusagen. Des Weiteren muss die Evolution der kristallinen Phasen auf der Grundlage der thermischen Randbedingungen erfasst und die zusätzliche Wärmeentwicklung infolge dieser exothermen Reaktion vorhergesagt werden. Dies erfordert die Lösung eines voll gekoppelten, transient thermo-mechanischen Problems.Die Projektarbeit liefert die folgenden wissenschaftlichen Innovationen: Zum einen wird ein viskoplastisches Materialmodell des Thermoplastes für die gesamte Spanne der prozessrelevanten Temperaturen und Kristallinitätsgrade entwickelt. Des Weiteren erfolgt die Modellierung der komplexen Erstarrungsvorgänge des Polymers aus der Schmelze unter Berücksichtigung der Fasern. Auf der Grundlage dieser Teilmodelle wird ein anisotropes Konstitutivgesetz der Thermo-Viskoplastizität entwickelt, um die faserverstärkten Einzelschichten abzubilden. Zur experimentellen Identifizierung und Kalibrierung der Modelle über die gesamte Temperatur- und Kristallinitätsspanne werden neue experimentelle Methoden entwickelt. Letztere dienen insbesondere zur Untersuchung des Materialverhaltens bei niedrigen Kristallinitätsgraden und Temperaturen oberhalb des Glasübergangs.Neben der Evolution von Eigenspannungen soll das entwickelte Modell eine ausführliche Analyse der lokalen Kristallinität und der resultierenden (gegebenenfalls heterogenen) Materialeigenschaften erlauben. Es ist zu erwarten, dass dies zu neuen Erkenntnissen hinsichtlich des Beginns und der Entwicklung des Bauteilverzugs und so zu individuellen Empfehlungen bezüglich des Prozessablaufes führen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Michael Johlitz; Professor Dr.-Ing. Jaan-Willem Simon