Dickwandige Faserverbundbauteile in der Wickeltechnik – Experiment und Modellbildung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Hartmann; Professor Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Kunststofftechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516997390

Die Wickeltechnik bei faserverstärkten, dünnwandigen Bauteilen repräsentiert eine etablierte Fertigungstechnologie. Bei dickwandigen Bauteilen hingegen entstehen aufgrund der exothermen Aushärtereaktion verwendeter Harzsysteme sehr hohe Temperaturen, die aufgrund der mäßigen Leitfähigkeit der benutzten Werkstoffe bis zur Schädigung der Bauteile führen können. Ziel ist es daher Prognosemöglichkeiten zu haben, um solche Ereignisse auszuschließen. Die Problematik repräsentiert ein chemo-thermomechanische Fragestellung für ortsabhängige anisotrope Materialeigenschaften. Insbesondere die Vorhersage der Eigenspannungen, die sich aufgrund der Fadenspannung, der Aushärtung sowie der Prozessgeschwindigkeit einstellen, sind von weiterem Interesse. Um ein Vorhersagewerkzeug, hier im Rahmen der Methode der finiten Elemente, bereitzustellen, sind eine Reihe grundlegender Untersuchungen zu behandeln. Diese betreffen (1) die vollständige Charakterisierung der Ausgangsmaterialien im Hinblick auf deren rheologische, thermische und mechanische Eigenschaften abhängig vom Vernetzungsgrad und der vorhandenen Anisotropie, (2) die ganzheitliche messtechnische Erfassung der Vorgänge im Wickelprozess und der zugehörigen werkzeug-technischen Umsetzung, (3) die multi-physikalisch-gekoppelte Modellierung der Vorgänge während des rotierenden Herstellungsprozesses und der zugehörigen Aushärtung, und (4) die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs zur Vorhersage der Eigenspannungen und damit der Möglichkeit zur Bereitstellung einer Prozessoptimierungsstrategie. Zunächst wird das verwendete Harzsystem sowie die verwendeten Fasern charakterisiert, sodass ein dreidimensionales Materialmodell anwendbar bzw. entwickelbar wird. Dann entsteht eine messtechnische Umsetzung im Wickelprozess im Hinblick auf die thermische und mechanische Erfassung der inneren und äußeren Vorgänge. Aufbauend hierzu wird die Herleitung der Kinematik sich entwickelnder, rotierender Strukturen sowie die zugehörigen Bilanzgleichungen und die zugehörige Numerik im Rahmen der Methode der finiten Elemente hergeleitet. Neben der Materialmodellentwicklung und der Identifikation der zugehörigen Materialparameter der Modellgleichungen sind anschließend Validierungsexperimente bereitzustellen, um Aussagen über die Prognosegüte des hochgradig komplexen Verhaltens abgeben zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen