Permeabilität


Dipl.-Ing. Swen Zaremba

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In den Bereichen Prozessentwicklung und Werkzeugdesign von Harzinfiltrationsprozessen stellt die Permeabilität der textilen Verstärkungsstruktur eine wichtige Kenngröße dar. Die Permeabilität eines porösen Materials ist eine geometrische Größe und beschreibt die Durchlässigkeit dieses Materials für Fluide. Bisher existiert kein standardisiertes Messverfahren zur Bestimmung der Permeabilität, was zur Entwicklung verschiedener Methoden geführt hat. Dabei zählen experimentelle und auf Simulation basierende Ansätze hinsichtlich Genauigkeit zu den vielversprechendsten. Beide werden seit der Gründung des Lehrstuhls am LCC verfolgt. Das Querschnittsthema „Permeabilitätsmessung“ beschäftigt sich mit der Anwendung und Weiterentwicklung dieser vorhandenen Methoden über sämtliche am Lehrstuhl etablierte Gruppen hinweg.

Am LCC stehen Prüfstände für die am weitest verbreiteten experimentellen Methoden, der Unidirektionalflussmethode (1D) und der Radialflussmethode (2D), zur Verfügung, welche sich gegenseitig in ihrer Funktion ergänzen. Unter Verwendung der Unidirektionalflussmethode kann sowohl der gesättigte als auch der ungesättigte ebene Permeabilitätstensor sowie die gesättigte Permeabilität in Dickenrichtung poröser Faserstrukturen bestimmt werden. Die Radialflussmethode ermöglicht die Bestimmung des ebenen, ungesättigten Permeabilitätstensors sowie des Kompaktierungsverhaltens des Materials in Dickenrichtung. Die experimentellen Methoden sind allerdings auf die Bestimmung von Permeabilitätswerten ebener Proben beschränkt, wohingegen reale Bauteile für gewöhnlich gekrümmte Bereiche enthalten und aus verschiedenen Lagenaufbauten mit variierendem Faservolumengehalt und unterschiedlichen  Faserarchitekturen aufgebaut sind. Weiterhin sind bei praktischen Versuchen ein gewisser Materialverbrauch und ein gewisser Aufwand an Versuchszeit unvermeidbar. Dies sind die Stärken des Simulationsansatzes, welcher eine schnelle Berechnung von Permeabilitätswerten auch von komplexen Materialmodellen ermöglicht. Die Materialmodellierung basiert auf der digitalen Bildverarbeitung von Schliffbildern, Aufnahmen im Computertomographen (CT) oder sonstigen digitalen Abbildungen der Faserstruktur. Für die Validierung und Verifikation der Simulation sind jedoch experimentelle Untersuchungen unerlässlich. Nachfolgend werden die am Lehrstuhl verfügbaren Prüfstände und der verfolgte Simulationsansatz näher vorgestellt:

Abbildung 1: 4-Kavitätenprüfstand

Unidirektionalflussmethode in Bauteilebene

Die Unidirektionalflussmethode (siehe Abbildung 1) ermöglicht die Bestimmung der ungesättigten und gesättigten Permeabilität in Richtung des angelegten Druckgefälles nach Darcy. Die Fließfrontposition wird über Drucksensoren und der Massenstrom durch die poröse Textilstruktur über Kraftaufnehmer gemessen. Die Versuchsdaten werden über ein Datenerfassungssystem aufgezeichnet und automatisiert ausgewertet. Um die Versuchszeit zu verkürzen, können bis zu vier Versuche gleichzeitig durchgeführt werden. Neben dem 4-Kavitätenprüfstand, welcher in Abbildung 1 gezeigt ist, steht eine Einzelkavität zur Verfügung, in welcher die Fließfrontposition optisch durch eine transparente Werkzeughälfte erfasst wird.

Abbildung 2: Radialprüfstand

Radialflussmethode in Bauteilebene und Bestimmung des Kompaktierungsverhaltens in Dickenrichtung

In dieser Prüfeinrichtung wird der vollständige ungesättigte Permeaiblitätstensor in Bauteilebene (2D) zusammen mit dem Kompaktierungsverhalten des Materials in Dickenrichtung in nur einem Versuch bestimmt. Die Vorrichtung wird dazu in einer Universalprüfmaschine installiert und die Fließfrontposition wird optisch erfasst. Die Versuchsdaten werden über ein Datenerfassungssystem aufgezeichnet und automatisiert ausgewertet. Der Faservolumengehalt der Probe kann stufenlos eingestellt werden und das Kompaktierungsverhalten des Materials kann in Abhängigkeit der Schließgeschwindigkeit der beiden Werkzeughälften gemessen werden.

Abbildung 3: Dickenrichtungsprüfstand

Unidirektionalflussmethode in Dickenrichtung

Die Messzelle ermöglicht die Bestimmung der gesättigten Permeabilität in Dickenrichtung des kompaktierten Fasermaterials. Dazu wird der Massenstrom anhand eines Kraftaufnehmers aufgezeichnet. Der Fluss in Dickenrichtung bei gleichzeitiger Kompaktierung des Lagenaufbaus in Dickenrichtung wird durch die Verwendung von Lochplatten erreicht. Der Druck im An- und Abgussbereich wird mit integrierten Drucksensoren gemessen.

Anhand dieser experimentellen Messeinrichtungen kann der vollständige 3D Permeabilitätstensor nach Darcy unter der, vor allem für dünne Bauteile gerechtfertigten und weit verbreiteten Annahme, dass der ebene Permeabilitätstensor in der Bauteilebene liegt, am LCC ermittelt werden.

Abbildung 4: Geometrische Materialmodellierung anhand digitaler Bildverarbeitung

Simulationsansatz zur Permeabilitätsbestimmung

Das Prinzip dieses Ansatzes ist der Aufbau eines numerischen Materialmodells und eine anschließende Strömungssimulation (CFD). Die Permeabilität wird anhand des so ermittelten Geschwindigkeitsfeldes und dem Gesetz von Darcy numerisch berechnet. Ein wichtiger Punkt ist die Erfassung aller relevanten Eingangsparameter für die Modellierung der textilen Faserarchitektur. Dazu wird die Materialstruktur in Form von Bildern erfasst und mittels digitaler Bildverarbeitung analysiert. Basierend auf diesen geometrischen Parametern erfolgt der Aufbau des Materialmodells.