Fundamentals about the impregnation of Dry Fiber Placement - Preforms
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein grundlegendes Verständnis des Imprägnierverhaltens von Dry Fiber Placement Preforms geschaffen. Durch experimentelle Studien wurden Strukturmanipulationen auf der Mikroebene (also zur Beeinflussung der Permeabilität zwischen einzelnen Fasern) und auf der Mesoebene (also zwischen einzelnen Strängen) betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine sinnvolle Auswahl der Eingangsmaterialien (also möglichst großer Einzelfaserdurchmesser sowie große Partikel des Bindermaterials) eine geringe Steigerung der Mikropermeabilität möglich ist. Die Erhöhung der Inhomogenität des Porenraums im Faserstrang (also zum Beispiel Ondulationen der Einzelfasern im Roving) ermöglicht hingegen keine signifikante Beeinflussung der Permeabilität. Strukturvariationen wie die Veränderung des Ablagemusters zu einem alternierenden Aufbau ähnlich eines 0/90°-Gewebes zeigt die Möglichkeit zur Steigerung der Permeabilität durch Einbringung von Kreuzungspunkten und Ondulationen auf Mesoebene. Die größte Steigerung der Permeabilität wurde allerdings durch Vernähung der Preform erzielt, wodurch durchgehende Stichkanäle entstehen, die die Imprägnierung erheblich beinflussen. Die Verwendung eines dickeren Nähfadens sowie die Erhöhung der Stichdichte durch Verringerung von Stich- und Nahtabstand führte zu deutlichen Erhöhungen der Dickenpermeabilität. Im Vergleich wirkte sich die Veränderung der Fadenspannung im betrachteten Bereich nicht wesentlich auf die Permeabilität aus. In Interaktion hiermit war auch der Einfluss des entfernten Unterfadens nicht signifikant, daher ist die Durchführung eines Tuftingschrittes ausreichend, solange der Faden während der Imprägnierung in der Preform bleibt. Der Lagenaufbau hat bei vernähten Preforms einen entscheidenden Einfluss, da er wesentlich die Fläche des durchgehenden Fließkanals beeinflusst. Die Verwendung simulativer Methoden zur Permeabilitätsbestimmung erlaubt die Betrachtung von Strömungseffekten, die für das Auge bzw. Messmittel nicht ohne weiteres zugänglich sind. Darüber hinaus kann der experimentelle Aufwand deutlich verringert werden, wenn diese effizient angewendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Richtlinien erarbeitet, die bei der Generierung realistischer Modelle unterstützen. Wenn eine Faserstruktur auf Mikroebene modelliert wird, müssen die Fasern ausreichend fein abgebildet werden, um eine realistische (runde) Form zu gewährleisten. Die benötigte Auflösung beträgt dabei etwa 1/10 des Faserdurchmessers. Da in der realen Preform zufällige Faseranordnungen anzutreffen sind, sollte eine für die Mikropermeabilitätssimulation verwendete Einheitszelle etwa 800 Einzelfasern beinhalten und es sollten je Parametersatz 10 zufällige Einheitszellen betrachtet werden. Es konnte durch die Mikrosimulationen gezeigt werden, dass kleinere Inhomogenitäten in der Faserausrichtung, wie sie in realen Rovings anzutreffen sind, nur einen sehr kleinen Einfluss auf die Dickenpermeabilität haben und somit in der Praxis kaum von Nutzen sind, um das Imprägnierverhalten zu verbessern. Die entwickelten Methoden zur Mikromodellierung und zur Evaluation geeigneter Modell- und Randbedingungen sind dabei grundsätzlich auch über das Projekt hinaus anwendbar, bspw. für Strömungssimulationen in anderen Faserstrukturen oder auch anderen porösen Materialien sowie für FKV-Struktursimulationen. Mit den aus der Mikrosimulation gewonnenen Permeabilitätswerten können größerskalige Modelle aufgebaut werden, die die Strukturvariation auf der Mesoebene beschreiben. Es wurde verifiziert, dass die experimentell ermittelten Ergebnisse bezüglich der Rovingablagesequenz und der Vernähung simulativ ebenso zugänglich sind und weitestgehend realistisch abgebildet werden. Darüber hinaus kann so der Einfluss der Rovingquerschnittsform betrachtet werden, der experimentell nicht ohne Weiteres abzubilden ist. Insgesamt zeigte sich im Projekt das hohe Potenzial des entwickelten, synergetischen Ansatzes aus Experimenten und Simulationen. Dieser Ansatz soll daher künftig als elementarer Bestandteil der Forschungsmethodik des Antragstellers weiterentwickelt und auf andere Anwendungsfälle übertragen werden.
Publications
- “Impact of stitching on permeability and mechanical properties of preforms manufactured by dry fiber placement,” Polym. Compos., 1. Jg., Volume 40, Issue 4, S. 1631–1642, 2018
O. Rimmel, D. May und P. Mitschang
(See online at https://doi.org/10.1002/pc.24911) - “Stitching preforms manufactured by dry fiber placement to optimize permeability – an experimental evaluation” The 14th International Conference on Flow Processing in Composite Materials (FPCM14). Lulea, Sweden, 30 May - 1 June, 2018
O. Rimmel, D. May und P. Mitschang
- “Digitized design of textiles and permeability measurement allows time- and cost efficient material selection,” 8th GeoDict User Meeting. Kaiserslautern, Sep. 2019
O. Rimmel, T. Schmidt, D. May, A. Widera, M. Hümbert und P. Mitschang
- “Modeling transverse micro flow in dry fiber placement preforms,” Journal of Composite Materials, November 4, 2019
O. Rimmel und D. May
(See online at https://doi.org/10.1177/0021998319884612) - “Multi scale simulation of flow in dry fibre placement” ICCM22. Melbourne, AU, Aug. 2019
O. Rimmel und D. May
