Entwicklung einer Simultation für das Liquid Polymer Moulding (LPM)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Liquid Composite Molding (LCM) Prozesse wie Resin Transfer Molding (RTM) erfreuen sich in den vergangen Jahren wachsender Beliebtheit. Gründe hierfür sind unter anderem der geschlossene Prozess und die Notwendigkeit von nur einem Werkzeug zur Bauteilfertigung. Die bisher hauptsächlich in Verwendung befindlichen Harze auf Epoxid-Basis zeichnen sich durch lange Topf- und Aushärtezeiten aus. Hieraus resultieren Zykluszeiten, welche die Wirtschaftlichkeit des Prozesses in Frage stellen. In situ polymerisierende Thermoplaste bieten hierbei einen Ausweg. Die niedrige Anfangsviskosität, sowie die aktivatorgesteuerte Polymerisation erlauben eine signifikante Senkung der Prozesszeit. Bezüglich schnellem trägheitsbehaftetem Fließen sowie dem Verständnis von Imprägnierungseffekten, im Speziellen der Fluid-Struktur-Interaktion, besteht momentan immer noch Klärungsbedarf. Das bewilligte DFG-Gemeinschaftsprojekt "Prozesssimulation des Liquid Polymer Molding (LPM) unter besonderer Berücksichtigung der Fließgeschwindigkeit und Viskositätscharakteristik", hatte zum Ziel den Einfluss von Fließgeschwindigkeit und Viskositätscharakteristik auf den Füllvorgang und somit auf die Faserbettarchitektur zu untersuchen und geeignete Simulationsmodelle zu entwickeln. Zur Verifikation der Simulationsmodelle, welche am ITWM erstellt wurden, wurden umfangreiche Fließversuche durchgeführt. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der Ermittlung von Sensitivitäten des Füllvorganges in Abhängigkeit vom Faservolumengehalt, Injektionsdruck und Viskositätscharakteristik. Die gewonnenen Ergebnisse dienen zur Verifikation der Simulationsmodelle und wurden durch mikrostrukturelle Untersuchungen auf Bündel- (mesokopischer-) und Filament- (mikroskopischer-) Ebene ergänzt. Auch hier wurden seitens des ITWM Simulationsmodelle aufgebaut. Die geometrische Basis für diese Modelle bildeten Schliffbilder der imprägnierten Faserstruktur aus den Fließversuchen. Die Ergebnisse dieser mesoskopischen und mikroskopischen Simulationen wurden soweit möglich durch die Fließversuche verifiziert. Innerhalb des Projektes konnte nachgewiesen werden, dass der Imprägnierungsvorgang einen erheblichen Einfluss auf die Struktur des Faserbettes hat. Diese Strukturänderung kann als maßgeblicher Einflussfaktor für die gemessene Permeabilität angesehen werden. Ferner wird der makroskopische Fließfrontfortschritt durch die Viskositätscharakteristik beeinflusst. Aufgrund der mangelnden Möglichkeiten zum Einsatz von in situ polymerisierenden Thermoplasten wurde innerhalb dieses Projektes ein duromeres Epoxid-Harz eingesetzt. Die Redundanz des Thermoplastsystems durch ein duromeres System ist hierbei aufgrund der qualitativ gleichen Viskositätscharakteristik, strukturviskos mit oberem und unterem newtonschen Plateau, zulässig. In der Produktentwicklung gewinnt die Simulation von Fertigungsprozessen eine stetig steigende Bedeutung. Derzeitig erfordern die Simulationen von LCM-Prozessen das aufwendigeMessen des signifikantesten Prozessparameters, der Permeabilität. Da die Permeabilität stark von der reproduzierbaren Güte der Faserablage abhängt, ist eine entsprechend hohe Anzahl an Versuchswiederholungen nötig. Oft können die Messungen nicht mit dem eigentlich für den Prozess vorgesehenen Matrixsystem durchgeführt werden, innerhalb des Projektes konnte gezeigt werden, dass eine differierende Viskositätscharakteristik des verwendeten Fluids zu nicht brauchbaren Ergebnissen führt. Neben dem Einfluss von Fließgeschwindigkeit und Viskositätscharakteristik auf den Imprägniervorgang des Faserbettes wurden im Rahmen des Projektes Simulationsmodelle auf mikrostruktureller Ebene entwickelt. Um diese Simulationsmodelle mit geometrischen Randparametern zu versorgen und entsprechenden Verifikationen bereitzustellen, wurden geeignete Methoden zur Geometriebildung entwickelt. Ein weiteres wichtiges Ergebnis des Projektes war der Nachweis einer starken Beeinflussung der MikroStruktur durch das Fluid. Es zeigt sich bereits, dass die immense Bedeutung dieser Fluid-Struktur-Interaktion bereits von Anbietern kommerzieller Simulationspaketen erkannt wurde. Oft mangelt es aber diesen Programmen an geeigneten Modellen zur Beschreibung von viskoelastischen Fließvorgängen. Ferner stellt eine mikrostrukturelle Simulation der Fließvorgänge die klassische Methode der Finiten-Eemente bezüglich Vernetzung und Modellstabilität vor erhebliche Probleme. Hier ist der seitens des ITWM verfolgte Ansatz zur Beschreibung von mikrostrukturellen Fließvorgängen mittels Lattice-Boltzmann eine effiziente Möglichkeit zur Lösung der Probleme. Basierend auf der Interaktion von Fließgeschwindigkeit, Viskositätscharakteristik und Änderung der Faserbettstruktur im instationären und stationären Fließfall zeigen einen viel versprechenden Ansatz zu rechnerischen Ermittlung der Permeabilität.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Modelling of a LPM filling process with special consideration of viscosity characteristic and its influence on the microstructure of a non-crimp fabric fibre bed. In: Brebia, C. A.; Carlomagno, G. M. (Ed.): Computational Methods and Experimental Measurements XII, Ashurst: WIT Press, 2005, ISBN 1-84564-020-9, S. 909-916
Repsch, Matthias; Huber, Ulrich; Maier Martin
