Ermittlung des Umformverhaltens von Gewebeprepregs in Abhängigkeit von Verstärkungstyp und Matrixsystem mit Hilfe eines geeigneten rheologischen Materialmodells

Abstract

Die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Automobilbau haben ein Interesse an Strukturbauteilen aus gewebeverstärkten Thermoplasten, da diese gegenüber den duromeren Faserverbundwerkstoffen technische und wirtschaftliche Vorteile aufweisen. Um das Umformverhalten von Gewebeverstärkungen zu bestimmen ist die sphärische Formbarkeit (Drapierung) alleine nicht ausreichend, da auftretenden Kräfte nur in Fadenrichtung eingeleitet werden können. Daher wird zunächst das biaxiale Dehnungsverhalten in Kett- und Schussrichtung untersucht. Bei doppelt gekrümmten Geometrien ist die ebene Schubverformung der Gewebeverstärkungen (Trellis-Effekt) der dominierende Verformungsmechanismus. Zur Beurteilung des Drapierverhaltens oder gar der Faltenbildung von textilen Halbzeugen gibt es kein genormtes Verfahren. Der Streifen-Zugversuch unter ±45° Gewebeorientierung eignet hierzu wegen seiner Einfachheit. Mit Relaxationsversuchen kann die Scherkraft in einen dehnratenabhängigen und einen dehnratenunabhängigen Anteil zerlegt werden. Ferner wird die Abhängigkeit des Umformverhaltens von der Gewebeorientierung untersucht, sowie für Atlas- und Köperbindungen mit Hilfe von Schliffbildern die Umformmechanismen identifiziert. Um das Verhalten gewebeverstärkter Kunststoffe mit hochviskoser Matrix zu beschreiben wird ein rheologisches Materialmodell mit kinematischer Koppelung vorgeschlagen, dessen mesoskaligen Parameter als integrale Größen aus den Streifen-Zugversuchen bestimmt werden können. Damit lässt sich sowohl die entdeckte Orientierungsabhängigkeit als auch die Dehnratenabhängigkeit einschließlich der Relaxation erfassen. Das vorgeschlagene rheologisch-mechanische Materialmodell ist auch anwendbar auf die Charakterisierung der elastoplastischen Energieabsorption von gewebeverstärkten Thermoplaststrukturen im Crashfall. Numerische Umformsimulationen ermöglichen es schon während der Bauteilkonstruktion auf die speziellen Fertigungsprobleme gewebeverstärkter Thermoplaste Rücksicht zu nehmen. Der Einfluss der beschriebenen Orientierungsabhängigkeit auf die Drapierung realer Bauteile wird ermittelt um so die Neigung zur Faltenbildung während der Umformung gezielt zu verringern.