Skalenübergreifende Simulation und Analyse prozessinduzierter thermo-chemischer Phänomene während der Aushärtung von dickwandigen duroplastischen Faserverbundlaminaten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530751617

Im beantragten Forschungsvorhaben soll das prozessabhängige Materialverhalten von dickwandigen duroplastischen Faserverbundkunststoffen (FVK) mit Endlosfaserverstärkung während des Aushärte- und Abkühlprozesses erstmalig unter Berücksichtigung zeit- und ortsaufgelöster Änderung des Aushärtegrades analysiert werden. Der Antragsteller verfolgt hierbei den Ansatz, die auftretenden thermo-chemischen Phänomene sowie Temperaturausgleichsvorgänge im Inneren des FVK gesamtheitlich zu beschreiben, um darauf basierend eine zweckmäßige und effiziente Modellierungs- und Homogenisierungstrategien zur Übertragbarkeit auf Laminat- und Mehrschichtverbund zu erarbeiten. Übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist die realitätsgetreue und skalenübergreifende Vorhersage der während der Verarbeitung von dickwandigen duroplastischen FVK ablaufenden Temperaturausgleichsvorgängen unter vollständiger Berücksichtigung vernetzungs- und temperaturabhängiger Materialkennwerte. Simuliert werden soll die zeit- und ortsaufgelöste Temperatur- und Aushärtegradverteilung in einem dickwandigen FVK-Laminat beginnend unmittelbar nach dem abgeschlossenen Faserimprägniervorgang bis zur vollständigen Abkühlung des Verbundes auf Raumtemperatur. Basierend auf Validierungsversuchen soll im Ergebnis gezeigt werden, dass das entwickelte Makro-Modell zur präzisen Beschreibung der Temperatur- und Aushärtegradverteilung in dickwandigen Laminaten verwendet werden kann. Darüber hinaus soll durch die Verknüpfung des entwickelten thermo-chemischen Modells mit einem bestehenden vernetzungsabhängigen thermo-viskoelastischen Materialmodell ein mechanistisches Modell für FVK entwickelt werden, welches die Eigenspannungsentwicklung auf RVE-Ebene präzise beschreibt. Durch die Verknüpfung von Temperaturausgleichsvorgängen mit thermo-chemischen Phänomenen während des Aushärte- und Abkühlprozesses soll das Prozessverständnis substanziell gesteigert werden und eine Basis für gezielt Prozessgestaltung und -optimierung erarbeitet werden. Hierfür wird der aktuelle Stand der Forschung genutzt und im Bereich der vernetzungsabhängigen Modellierung des Materialverhaltens erweitert werden. Insbesondere werden die thermo-chemischen Eigenschaften des Epoxidharzes (EP) konsequent temperatur- und vernetzungsabhängig charakterisiert und modelliert. Eigene Forschungsarbeiten an EP legen nahe, dass es bei Vernachlässigung von Wärmeleitung und Reaktionswärme zu Abweichungen vom erwarteten Materialverhalten (z. B. nicht-linearer Schwindungsverlauf) als auch zur Beeinflussung der Reaktionskinetik kommen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen