Vorhersage und In-Situ Bewertung fertigungsbedingter Deformationen und Eigenspannungen von Kompositen

Abstract

Faserverstärkte Kunststoffe werden aufgrund ihrer hervorragenden gewichtsspezifischen Eigenschaften zunehmend in Leichtbaustrukturen eingesetzt. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen entstehen die finale Geometrie und Steifigkeiten von Faserverbundbauteilen erst im Herstellungsprozess selbst. Dementsprechend hängt die Bauteilqualität entscheidend vom Ausgangsmaterial, von den Prozessparametern sowie von den Prozessrandbedingungen ab. Daraus resultieren hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung sowie enge Toleranzen im gesamten Prozess der Bauteilentstehung. Diese werden aufgrund von inherenten faserverbundspezifischen Bauteildeformationen teilweise überschritten. Die nicht vermeidbaren Bauteildeformationen führen zu erheblichen Problemen bei nachgelagerten Montageprozessen und stellen durch Nacharbeiten zum Toleranzausgleich einen wesentlichen Kostentreiber dar. Zur Kompensation der Bauteildeformationen wird die Werkzeuggeometrie modifiziert, bis die Bauteilgeometrie den Spezifikationen entspricht. Dieser Prozess erfolgt im industriellen Umfeld zum großen Teil noch empirisch und iterativ. Teilweise werden bereits individuelle Simulationen als Unterstützung eingesetzt. Insbesondere bei neuen Bauteilen mit komplexen Geometrien oder bei dem Einsatz neuer Materialien werden unter Umständen einige Iterationen benötigt, wodurch sich die Entwicklungszeiten verlängern. Um die Prozesse schneller und effizienter zu entwickeln sowie zum Aufbau eines vertieften Prozessverständnisses, werden verstärkt simulationsbasierte Methoden eingesetzt und weiterentwickelt. Insbesondere im Kontext von Industrie 4.0 werden die Produktionsprozesse zunehmend digitalisiert und entsprechende Simulationsmethoden benötigt. Gleichzeitig werden schnelle Methoden nachgefragt, die in der Lage sind, den Prozess und die Bauteilqualität in Echtzeit zu analysieren, zu bewerten und zu kontrollieren. Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, eine Systematik bereitzustellen, die es erlaubt, neben den fertigungsbedingten Bauteildeformationen auch die Eigenspannungen von Faserverbundbauteilen unter Berücksichtigung von Material- und Prozessschwankungen sowohl a priori als auch in situ vorherzusagen und zu bewerten. Es wird ein Leitfaden zur Modellbildung, Kennwertermittlung und Durchführung der Simulation bereitgestellt. Für eine einfachere Handhabbarkeit und Integration in kommerzielle FE-Programme sind die entwickelten Modelle in Materialroutinen implementiert. Ein wesentlicher Schwerpunkt ist die Erweiterung üblicher Materialansätze um ein anisotropes viskoelastisches Materialmodell, das in der Lage ist, Temperatur- und Relaxationseffekte während der Aushärtung zu berücksichtigen. Die entwickelten Modellierungsansätze werden anhand von optischen 3D-Geometrievermessungen, optischen Dehnungsmessungen und Methoden der Thermoanalyse validiert. Durch den Einsatz von schnellen Ersatzmodellen wird eine Methodik bereitgestellt, die es erlaubt, Struktureigenschaften, wie die Bauteildeformation oder Eigenspannungen, sowie thermo-chemische Eigenschaften, wie Aushärtegrad und Glasübergangstemperatur, in Echtzeit zu berechnen. Dadurch wird die Möglichkeit gegeben, den Prozess und die Bauteileigenschaften in situ zu bewerten und zu kontrollieren.