Porositätsmodellierung bei Infusionsprozessen von Faserkunststoffverbunden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Middendorf; Privatdozent Dr. Anthony Pickett
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432847151

Die Herstellung von Faserkunststoffverbunden kann auf verschiedene Arten erfolgen. Eine in der Praxis häufig verwendete Technik sieht vor das Harz unter der Einwirkung eines Druckes durch das trockene Textil zu infiltrieren, wobei dieses durch ein geschlossenes Werkzeug (Resin Transfer Moulding – RTM) oder durch eine Vakuummembran (Vacuum Infusion – VI) in Form gehalten wird. Anschließend erfolgt die Aushärtung, bevor das Werkstück für die weitere Bearbeitung entnommen wird. Unabhängig des gewählten Infusions-Verfahrens, muss eine vollständige Impregnierung der textilen Preform ohne Defekte gewährleistet werden. In der Realität ist dies nur schwer umsetzbar, da oft Lufteinschlüsse und Porositäten generiert werden. Porositäten lassen sich nicht vermeiden, ihr prozentualer Anteil sollte aber auf maximal 1-3% limitiert werden, da bereits dieser geringe Wert die Festigkeitskennwerte von Faserkunststoffverbunden um bis zu 20% reduzieren kann. Dies gilt vor allem für Dauerfestigkeitskennwerte.Die im Infusionsprozess auftretende Porosität ist fast ausschließlich auf die Bildung von Luftblasen, die während der Harzeinbringung durch die Verstärkungsfasern strömen, zurückzuführen. An der Fließfront tritt eine Zweiphasenströmung auf, die zum einen eine schnelle Durchströmung des Harzes durch die offenen Lücken im Textil begünstigt, auf der anderen Seite aber für eine verzögerte Infiltration der kompaktierten Rovinge sorgt und zu Lufteinschlüssen bzw. der Bildung von Luftblasen führt.Die Luftblasen können entweder dauerhaft eingeschlossen werden oder sie verlassen den Roving und legen sich durch Oberflächenkräfte an dessen Oberfläche an. Mit erhöhtem Druckgradienten können die Luftblasen zusammen mit der Matrix durch Kanäle in der textilen Preform-Architektur strömen. Weiterhin ist ein Zusammenwachsen bzw. Zerfallen möglich. Ihre Größe ist dabei veränderlich und hängt vom inneren Druck bei ihrer Bildung und dem Druck während des Infusionsprozesses ab. Die endgültige Größe sowie Verteilung dieser Lufteinschlüsse bestimmt die Porositätsverteilung.Im vorliegenden Projekt werden neben den Prozessbedingungen die zur Bildung von Lufteinschlüssen führen, auch deren Ausbreitungsmechanismen, sowie die Prozessparameter die die finale Größe des Lufteinschlusses und die Porosität im ausgehärteten Verbundwerkstoff bestimmen, experimentell untersucht. Das Vorgehen wird sowohl mit numerischen Methoden (FEM) als auch mit analytischen Lösungen unterstützt, um Kriterien zur Porositätsgenerierung zu erhalten. Eine Hauptaufgabe des Projekts wird die Entwicklung von Finite-Elementen- und Ersatzmodellen auf Basis eines künstlichen neuronalen Netzes sein, um die Porositäten in zwei Demonstratorbauteilen vorherzusagen. Dieser Ansatz ist von besonderem Interesse, da die hohe Rechengeschwindigkeit eine Real-Time-Überwachung von Sensoren während dem Infusionsprozess ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen