Entwicklung einer Simulationsmethodik zur Beschreibung des Fließverhaltens in Dry Fiber Placement Preforms

Dry Fiber Placement Preforms sind eine Möglichkeit, bei der Herstellung von endlosfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden in Liquid Composite Molding-Verfahren effizient und mit wenig Verschnitt Vorformlinge (Preforms) herzustellen. Das Imprägnierverhalten der Preforms muss allerdings für eine effiziente Prozessauslegung genau verstanden werden, um kurze Taktzeiten und geringe Ausschussraten zu ermöglichen. Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojektes werden daher die Grundlagen zur Imprägnierung dieser Preforms erforscht. Neben analytischen und experimentellen Ansätzen zur Untersuchung werden insbesondere auch effiziente Simulationsmethoden angewandt. Um das Fließverhalten realistisch abzubilden, müssen drei Skalenebenen betrachtet werden:

• Die Mikroebene beschreibt das Fließen zwischen einzelnen Fasern, zum Beispiel in einem Roving. Die relevanten Größen bewegen sich im Bereich einiger µm.
• Die Mesoebene beschreibt das Fließen zwischen einzelnen Rovings oder Faserbündeln. Relevante Größen bewegen sich im Bereich einiger mm oder cm.
• Die Makroebene beschreibt das Fließen auf Ebene der gesamten Preforms bzw. des herzustellenden Bauteils, relevante Größen umfassen einige cm bis m.

Es existieren bereits einige analytische Ansätze zur Beschreibung der Mikroebene, spätestens auf der Mesoebene ist die Beschreibung des Porenraums allerdings analytisch kaum noch möglich. Experimentelle Ansätze beziehen sich meist auf die Messung der Effekte auf Makroebene, da die zu messenden Größen in kleineren Skalenebenen messtechnisch kaum noch zugänglich sind. Bisherige Simulationen nutzen auf Makroebene gemessene Permeabilitätswerte, die zur Füllsimulation eines Werkzeuges herangezogen werden (Abbildung 1).

Daher wird in dem hier angewandten Ansatz eine Simulationsmethodik entwickelt, die von der Mikroebene über die Mesoebene das Fließverhalten in der Preform abbilden und Eingangswerte für die Fließsimulationen liefern kann. Diese werden mittels eines numerischen Solvers auf generierten Faserstrukturen durchgeführt (Abbildung 2).

Zur Entwicklung dieser Methodik wurden Randbedingungen und Anforderungen an die Einheitszelle entwickelt, die eine korrekte Abbildung des Fließverhaltens mittels Solver sicherstellen (Abbildung 3).

Durch diese Simulationsmethodik können die relevanten Fließeffekte in den Preforms sowie gezielt eingebrachter Strukturvariationen auf ihre Relevanz für die Gesamtpermeabilität untersucht werden. Die gewonnenen Erkenntnisse können in folgenden Arbeiten für die Optimierung des Materialverhaltens herangezogen werden. Die Validierung der simulativen Werte mit experimentellen Ergebnissen war hierbei bereits erfolgreich (Abbildung 4).

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Dipl.-Ing. Oliver Rimmel
Verarbeitungstechnik
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