Sensor-supported simulation of a thermoplastic RTM process using a digital twin for the optimized production of complex parts

Kurzfassung

Thermoplastische Faserverbundmaterialien bieten durch ihre besonderen Eigenschaften wie Verformbarkeit unter Temperatur als auch die Möglichkeit mittels Schweißtechnologien Bauteile miteinander verbinden zu können großes Potential für den Einsatz sowohl in der Luftfahrt- als auch Automobilindustrie. Durch thermoplastische Faserverbundmaterialien eröffnen sich somit neue Möglichkeiten für Verarbeitungs- und folglich Designmöglichkeiten. Derzeit scheitert der Einzug von thermoplastischen Faserverbundwerksoffen in die Anwendungen häufig daran, dass die notwendigen Fertigungstechnologien, wie z.B. C-RTM Verfahren für diese Materialklasse noch nicht ausreichen untersucht und optimiert wurden. Deshalb konnte bisher nur sehr selten ein hochratenfähiger, kosteneffizienter und somit konkurrenzfähiger Serienprozess für große Stückzahlen für thermoplastische Bauteile etabliert werden. Diese Herstellungsprozesse für leichte, kostengünstige und zugleich hochbelastbare Bauteile werden mit Hinblick auf den prognostizierten zunehmenden Bedarf seitens E-Mobilität immer wichtiger. Aus diesem Anlass werden im Verbundvorhaben CosiMo (Composites for sustainable Mobility) die Möglichkeiten eines nachhaltigen, wirtschaftlichen und hochproduktiven Herstellungsverfahrens für Automobil-Bauteile mit großen Stückzahlen erforscht. Hierbei befasst man sich mit einem thermoplastischen RTM-Prozess bei welchem Caprolactam in die Verstärkungsfasern (eine Kombination aus Vlies und weiteren Verstärkungslagen) eingespritzt wird und unter Temperatur zu PA6 polymerisiert. Dieses Produktionsverfahren soll am Beispiel einer generischen Batteriebox erforscht werden. Für eine ressourcenschonende Erforschung des Prozesses wird angestrebt mit möglichst wenigen Versuchen das finale große Demonstratorbauteil herzustellen. Zur Ermittlung des Materialverhaltens, die Durchdringung der Faserverstärkung durch Caprolactam sowie dessen Polymerisationsverhalten, werden Vorversuche in einem kleineren ebenen Plattenwerkzeug durchgeführt. Diese Vorversuche finden in einem Plattenwerkzeug, welches mit 38 Druck-, Temperatur- und Ultraschallsensoren ausgerüstet ist, statt. Anhand der Sensorinformationen ist man erstmals in der Lage einen direkten Blick in das Werkzeug und somit auf den Prozess selbst zu werfen. Der Versuchsaufbau wird in der Software ESI PAM-RTM nachgebildet und entsprechende Prozesssimulationen durchgeführt. Die aus den durchgeführten Versuchen erhaltenen Sensorinformationen werden mit den Simulationsergebnissen verglichen und entsprechende Anpassungen (Reaktionskinetik des Harzes, Permeabilität der Faserverstärkung, Vorzugsrichtungen, usw.) in der Simulation vorgenommen. Die aus dem Abgleich der Sensorinformationen aus der Simulation und der Realität erhaltenen Prozessparameter werden anschließend für die Simulation des finalen Demonstrators herangezogen. Dadurch kann die Anzahl der notwendigen Versuche am großen Bauteil auf ein Minimum reduziert werden, wodurch Zeit, Material und folglich Kosten eingespart werden. Dieses Projekt trägt letztlich dazu bei eine neue Prozessroute für die vorliegende Materialkombination (Vlies + PA6) und die damit verbundenen Herausforderungen und Möglichkeiten zu erforschen um somit die Basis für einen kosteneffizienten, konkurrenzfähigen thermoplastischen Serienprozess für große Stückzahlen zu schaffen.