Prozessdigitalisierung

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer effizienten Methodik für die Digitalisierung von C-SMC-Material, um die genaue Simulation des Formpressens von C-SMC-Bauteilen mit hohem Faservolumenanteil zu ermöglichen.

Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung des Workflows für die Prozessdigitalisierung von carbonfaserverstärkten Sheet Molding Compounds (C-SMCs). Es umfasst erstens die Überwachung/Aufnahme der Faserorientierung in unterschiedlichen Phasen des Herstellungsprozesses von C-SMC mithilfe einer Polarisationskamera, zweitens die Entwicklung eines Finite-Elemente-basierten Materialmodells und der Prozesssimulation und drittens die weitere Untersuchung der Faserorientierung am fertigen Bauteil mithilfe von Polarisationskamera und 3D-Röntgenmikroskop. Da die Faserorientierung einen großen Einfluss auf das Prozessverhalten sowie die finalen Bauteileigenschaften hat, beginnt die Digitalisierung auf der institutseigenen SMC-Line600 Herstellungslinie. Hierzu wird die Polarisationskamera direkt in die Herstellungslinie eingefügt und zur einfachen Detektion der 2D-Faserorientierung der aufgestreuten C-Faser-Rovingzuschnitte in Echtzeit genutzt. Nach Abschluss der Produktion des C-SMCHalbzeugs ist auf diese Weise die Faserorientierung in der kompletten Halbzeugrolle bekannt. Diese Information kann zum einen zur Qualitätskontrolle und zur Bewertung des Anisotropiegrads genutzt werden. Zum anderen erlaubt sie den Aufbau eines mehrlagigen Simulationsmodells, in welchem die Faserorientierung der individuellen Lage an den realen Faserorientierungszustand angelehnt ist, was die Genauigkeit der Prozesssimulation steigert. Dazu wird aus den Faserorientierungsinformationen des Halbzeugs ein „virtueller Schnittplan“ erzeugt und die Faserorientierung der Ausschnitte auf das Simulationsmodell übertragen. Wird derselbe Schnittplan genutzt, um einen realen C-SMC-Stack aufzubauen, sollte die Faserorientierung der realen Probe mit der Simulation übereinstimmen. Zur Validierung wird dieses Vorgehen angwandt, um einfache C-SMC-Pressrheometer- Proben in Realität und Simulation aufzubauen und das Verhalten während des Fließpressens zu vergleichen. Zukünftig kann so die Vorhersage des Fließverhaltens der C-SMC-Stacks und die Entwicklung der Faserorientierung bei der Herstellung komplexer Bauteile verbessert werden.

• Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Abteilung Strömungs- und Materialsimulation