Materialcharakterisierung und Pressformsimulation von langfaserverstärkten SMC-Werkstoffen mit hohem Faservolumen

Das Fließpressen von Sheet-Molding-Compounds (SMC) wird typischerweise als strömungsmechanisches Problem behandelt. In letzter Zeit erfordert die zunehmende Nutzung von kohlenstofffaserverstärkten SMC Materialien (CF-SMC) mit hohem Faservolumenanteil (bis zu 50%) und sehr langen Kohlenstofffasern (bis zu 50 mm) eine andere neue Sichtweise. Die Materialien erlauben die Produktion von Bauteilen mit deutlich besseren strukturellen Eigenschaften als herkömmliche glasfaserbasierte SMC-Materialien. Das rheologische Verhalten dieses Werkstoffs kann nicht mit den üblichen Standard-Rheometer-Versuchen charakterisiert werden. Am IVW wird die Materialcharakterisierung von CF-SMC Materialien mit hohem Faservolumengehalt über zwei Varianten des „Pressrheometer-Versuchs“ durchgeführt. Hierbei wird die Kraftantwort und die Entwicklung der Fließfront von verpressten SMC-Einlagen gemessen. Das Ziel der Materialcharakterisierung ist die Ermittlung von Input- und Validierungsinformationen für ein festkörpermechanisches Materialmodell, welches eine Simulation des Fließpressens von CF-SMC Materialien mit einem universellen FE-Werkzeug, wie z.B. ABAQUS oder LS-DYNA, ermöglicht.

Zur Charakterisierung des Kompaktierungs- und Fließverhaltens von CF-SMC Materialien wird ein Pressrheometer-Versuch mit offenen kreisrunden Platten durchgeführt. Für dieses Experiment werden mehrere Lagen des SMC-Materials zentriert zwischen den kreisrunden Werkzeugplatten positioniert und anschließend verpresst. Das Material kann während des Prozesses ungehindert seitlich fließen. Die obere Platte bewegt sich mit einer definierten Geschwindigkeit oder Kraft. Zwei unterschiedliche Konfigurationen erlauben Versuche bei konstanter Pressfläche oder konstantem Volumen. Die Probekörper können entweder eine kreisrunde oder rechteckige Form haben, wie in der schematischen Darstellung in Abbildung 1 gezeigt. Die großen kreisrunden Proben können für Versuche mit konstanter Fläche verwendet werden, um Presskraftkurven frei von Randeffekten zu erzeugen, während die kleineren rechteckigen Proben für Versuche mit konstantem Volumen verwendet werden, welche eine klare Visualisierung der Fließfrontentwicklung ermöglichen. Abbildung 2 (links) zeigt das Ergebnis des Charakterisierungsversuchs mit konstantem Volumen für ein CF-SMC Material (6 Lagen) bei einer Schließgeschwindigkeit von 3 mm/s und für abnehmende Plattenschließdistanzen (Short Shots). Das gestrichelte Quadrat im Zentrum zeigt die Anfangsprobengröße und –position. Die Markierungen repräsentieren die durchschnittlichen Außenkonturen aus jeweils 3 Fließfrontexperimenten für jeden Short Shot. Zusammen mit den Presskraftkurven aus den Versuchen mit konstanter Fläche, Abbildung 2 (rechts), können die notwendigen Daten für ein Materialmodell ermittelt und auch validiert werden.

In der Vergangenheit wurden nur wenige Softwarelösungen zur Simulation des Fließpressens von Sheet-Molding-Compounds (SMCs) entwickelt. Erste Ansätze basierten auf 2D bzw. 2.5D Modellierungsansätzen ohne das Fließen in Dickenrichtung zu berücksichtigen. Auch auf der Grundlage von Spritzgießsimulationen gibt es nur wenige spezialisierte kommerziell verfügbare Softwaretools, welche das Fließpressen in einem 3D Format simulieren können. Die in diesen Softwarelösungen verwendeten Materialmodelle basieren rein auf viskosen Materialeigenschaften und können daher nicht das komplexe Verhalten eines komprimierbaren SMC Werkstoffes mit hohem Faservolumengehalt und Langfaserverstärkung darstellen. In vielen aktuellen Lösungen basiert die Berechnung der Faserorientierung auf der Folgar-Tucker-Gleichung. Eine andere Möglichkeit die Faserorientierung in einem SMC-Material zu beschreiben ist die explizite Modellierung der Fasern als Balken-Elemente. Dadurch können die Fasern in individueller Länge dargestellt und Effekte wie Faserbruch oder –interaktion ebenfalls berücksichtigt werden. Jedoch erfordert dieser mesoskalige Modellierungsansatz sehr hohe Rechneranforderungen und Rechenzeiten. Die spezialisierten Softwaretools haben Einschränkungen bei den verfügbaren Materialmodellen und Methoden. Dagegen bieten die universellen FEM-Softwares, wie z.B. ABAQUS® oder LS-DYNA® große Vorteile bei der Entwicklung von angepassten benutzerdefinierten (User-Defined-) Materialmodellen für CF-SMC Materialien. Mit Multi-Physics-Solvern und den notwendigen Tools zur Erzeugung von User-Defined-Materialmodellen können die meisten der notwendigen Faktoren und Effekte berücksichtigt werden. Abbildung 3 zeigt das Konzept eines benutzerdefinierten Materialmodells, welches in LS-DYNA® erzeugt wird. Die meisten mechanischen und thermischen Effekte beeinflussen direkt den Geschwindigkeitsgradienten, welcher eine wichtige Rolle in der Folgar-Tucker-Gleichung spielt. In den meisten aktuellen Softwarelösungen wird das SMC-Fließpressen typischerweise als ein viskositätsbasierendes fluidmechanisches Problem betrachtet. Mit dem steigendem Einsatz von CF-SMC mit hohem Faservolumengehalt ist jedoch eine Beschreibung in der Festkörpermechanik besser geeignet. Das Fließen des Materials basiert deshalb auf einer elastoplastischen Deformation anstelle einer rein viskositätsbasierten Beschreibung. Zusätzlich zeigen CF-SMC Materialien ein anisotropes Verhalten, welches auf der lokalen Faserorientierung beruht. Die elastoplastische Beschreibung sollte daher orthotrop sein mit richtungsabhängigen Skalierungsfaktoren, die auf dem Faserorientierungstensors aus dem vorhergegangenen Zeitschritt beruht. Sobald alle Einflussfaktoren berücksichtig werden, kann ein Vergleich der Faserorientierung aus der Simulation und dem Experiment durchgeführt werden. Es wird erwartet, dass die Folgar-Tucker-Gleichung keine akkurate Beschreibung der Faserorientierung für allen CF-SMC Materialien liefern kann. Daher werden Schleifen in der Entwicklung der mathematischen Modellierung vollzogen, um die Formulierung von einer kurzfaser- zu einer langfaserbasierten Beschreibung zu ändern.

Mit der korrekten Materialcharakterisierung und dem Aufbau des Simulationsmodells ist die Vorhersage des korrekten Verhaltens von SMC-Materialien für komplette 3D-Bauteile möglich. Das Füllverhalten, eine angenäherte Faserorientierung, sowie die benötigte Pressenkraft für die Bauteilherstellung bei unterschiedlichen Prozessbedingungen sind vorhersagbar. Zudem können die Ergebnisinformationen aus der Simulation für eine Verzugsanalyse und die Untersuchung der finalen strukturellen Bauteileigenschaften genutzt werden.

Weitere Informationen:
M.Sc. Dominic Schommer
Bauteilentwicklung
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
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