Modellierung des Konsolidierungsprozesses thermoplastischer Verbundwerkstoff

Competence Center CHASE

vor 6 Tagen

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Von unidirektionalen Ausgangstapes bis hin zu leichten Strukturbauteilen: Kann computergestützte Modellierung die Qualität und strukturelle Integrität kontinuierlich faserverstärkter Halbzeuge zuverlässig vorhersagen, bevor diese in der Produktion eingesetzt werden?

Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelte das Competence Center CHASE gemeinsam mit einem internationalen Konsortium aus Industrie- und Wissenschaftspartnern ein fortschrittliches numerisches Simulationsverfahren. Durch die Echtzeiterfassung komplexer thermodynamischer und rheologischer Phänomene konnte das Projekt erfolgreich zeigen, dass eine digitale Prozessauslegung die Konsolidierung thermoplastischer Verbundwerkstoffe erheblich optimieren und dadurch die Material-, Zeit- und Energieeffizienz steigern kann.

Der Aufstieg thermoplastischer Matrizen im Verbundwerkstoffbau

Kontinuierlich faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit einer thermoplastischen Matrix finden zunehmend Anwendung in Hochleistungsbereichen wie der Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilbau. Im Vergleich zu herkömmlichen duroplastischen Verbundwerkstoffen bieten Thermoplaste besondere mechanische und verarbeitungstechnische Vorteile: ein ausgezeichnetes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit, kurze Verarbeitungszyklen (da das Matrixpolymer keine Vernetzung oder Aushärtung benötigt), die Möglichkeit zur Funktionalisierung durch Hinterspritzen sowie eine inhärente mechanische Rezyklierbarkeit.

Die Herstellung dieser mehrschichtigen Halbzeugplatten erfordert jedoch einen präzisen Konsolidierungsprozess. Ein Aufbau aus mehreren unidirektionalen (UD-)Tapes muss unter bestimmten Druck- und Temperaturprofilen zwischen Trägerwerkzeugen komprimiert werden, um eine einwandfreie Materialbindung zu erreichen. Unkontrollierte Schwankungen dieser Prozessparameter können zu verborgenen strukturellen Defekten oder geometrischen Ungenauigkeiten führen.

Die drei entscheidenden Säulen der Konsolidierungsmodellierung

Um ein zuverlässiges Vorhersagemodell zu entwickeln, konzentrierte sich das Forschungsteam auf das Zusammenspiel dreier zentraler physikalischer Phänomene, die die Qualität des Endprodukts bestimmen:

Zeitabhängiges thermodynamisches Verhalten: Da die Materialeigenschaften von Thermoplasten stark temperaturabhängig sind, ist die Erfassung der transienten Wärmeübertragung zwischen den Heiz-/Kühlpressen, den Trägerwerkzeugen und dem eingelegten Tape-Aufbau entscheidend für die Vorhersage der gesamten Prozessdynamik.
Qualität der Grenzflächenbindung: Das Konsolidierungsmodell muss die Autohäsion und die makromolekulare Diffusion, die zwischen den einzelnen UD-Tape-Schichten unter Druck stattfinden, präzise simulieren, um eine optimale interlaminare Scher- und Verbundfestigkeit zu gewährleisten.
Anisotroper Squeeze Flow und Geometrieveränderungen: Unter hohen Drücken und Temperaturen schmilzt die Polymermatrix und unterliegt einem Quetschfluss. Die Modellierung dieses Fließverhaltens ist entscheidend, da es die endgültigen Abmessungen und die Faserausrichtung der Halbzeugplatte unmittelbar verändert.

Numerische Architektur und empirische Validierung auf mehreren Maßstabsebenen

Das Berechnungsmodell wurde durch Anpassung eines bestehenden Solvers innerhalb der Open-Source-CFD-Plattform OpenFOAM® entwickelt. Dieser maßgeschneiderte Solver wurde speziell darauf ausgelegt, die präzisen Wärmeübertragungsprofile und die Materialkinetik während des Presszyklus zu simulieren.

Um die industrielle Eignung sicherzustellen, wurde die Simulation auf zwei unterschiedlichen experimentellen Maßstabsebenen validiert:

Untersuchungen im Labormaßstab: Sie dienten hauptsächlich der Grundlagenforschung zur Mechanik der anisotropen Squeeze-Flow-Strömung und zur lokalen Faserausrichtung.
Pressanlagen im industriellen Maßstab: Sie wurden eingesetzt, um die Anwendbarkeit des Solvers unter realen Produktionsbedingungen zu validieren und zu bestätigen, dass der digitale Zwilling großskalige, komplexe thermische und physikalische Prozessrandbedingungen bewältigen kann.

Empirische Ergebnisse: Hochpräzise Qualitätsvorhersagen

Die empirische Validierung zeigte eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den numerischen Modellen und den physikalischen Experimenten. Der entwickelte OpenFOAM®-Ansatz ermöglichte eine hochpräzise Bestimmung der Temperaturverteilung an verschiedenen Positionen innerhalb des Tape-Aufbaus über den gesamten Konsolidierungszyklus hinweg.

Darüber hinaus zeigte die Simulation eine sehr gute Übereinstimmung mit den physikalischen Prüfkörpern hinsichtlich der Squeeze-Flow-Charakteristik und der endgültigen Bauteilgeometrie. Besonders wichtig war, dass Vergleiche mit mechanischen zerstörenden Prüfungen belegten, dass das Modell die innere Verbundfestigkeit allein auf Grundlage der Prozessparameter Temperatur, Druck und Zeit zuverlässig vorhersagen kann.

Indem Hersteller das Trial-and-Error-Verfahren bei der Herstellung physischer Prototypen durch präzise, physikbasierte Simulationen ersetzen, können sie ihre Prozesse zur Herstellung von Verbundwerkstoffen nun digital optimieren – Ausschussraten minimieren, den Energieaufwand reduzieren und die Markteinführungszeit für Leichtbaumaterialien der nächsten Generation verkürzen.