Simulation von Kompaktierung, Aushärtung und Konsolidierung


Dennis Bublitz, M.Sc.

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Konsolidierung und Aushärtung stellen diejenigen Prozess-Schritte bei der Herstellung eines Verbundbauteils dar, bei denen die finalen Eigenschaften des Materials festgelegt werden. Idealerweise entspricht die Anwendungsstruktur danach exakt den Entwurfsvorgaben im Hinblick auf Form und Funktion. In der Realität jedoch ist dies nicht der Fall: thermische, mechanische sowie den Harzfluss und die Kompaktierung betreffende Phänomene führen zu Abweichungen in Bezug auf die Geometrie - prozessinduzierte Deformationen (PID) - und den inneren Aufbau wie beispielsweise den Porositätsgehalt.

Unser Team arbeitet an der Entwicklung und Industrialisierung von Modellierungs- und Simulationsansätzen zur Vorhersage des Bauteilverhaltens während Konsolidierung und Aushärtung mit dem Ziel, Werkzeuge für die Optimierung der relevanten Prozessparameter bereitzustellen.

Porosität, Porenentstehung und -transport

Die Herstellung von Verbundbauteilen im Ofen mit Vakuumsackaufbau nur unter Umgebungsdruck („Out of Autoclave“, OoA) stellt eine kostengünstige Alternative gegenüber der konventionellen Autoklavhärtung dar. Eine der größten Herausforderungen, insbesondere bei der Fertigung von Hochleistungs-Luftfahrtstrukturen, ist einen der Spezifikation entsprechend niedrigen Porengehalt am fertigen Bauteil sicherzustellen.

Abbildung 1: Klassifizierung der Poren im Hinblick auf Quellen und Senken

Die Modellierung und Simulation der Entstehung und des Transports von Poren dient als Werkzeug, die wesentlichen Prozessparameter des virtuellen Konsolidierungsvorgangs im Hinblick auf akzeptablen Porengehalt und minimale Prozesszykluszeit zu optimieren. Dies erfordert einen multi-physikalischen Ansatz, der folgende Phänomene berücksichtigen muss: Kompaktierung, Harz- und Luftfluss, Interaktionen zwischen den genannten Mechanismen sowie die Abhängigkeit von aushärtebedingten Parametern wie z.B. der Harzviskosität.

Prozess-induzierte Deformationen (PID)

Die Herstellung hochgenauer Bauteile aus CFK erfordert die Kenntnis der finalen Geometrie nach dem Aushärteprozess, die inhärent von der Werkzeug-Nominalgeometrie abweicht. In wie weit bleibende Verformungen - z.B. Spring-In / Spring-Back, Warpage - ein Problem darstellen, hängt von den Toleranzen bei der Integration der Komponente im System ab: im schlimmsten Fall kann die Montierbarkeit nicht gewährleistet werden.

Abbildung 2: Deformierter Spantquerschnitt nach der Aushärtung. Skalierungsfaktor der Verformung: 30

Übergeordnetes Ziel der Forschungstätigkeiten am Lehrstuhl ist es, den Herstellern von Verbundstrukturen eine Basis für Kosten-Nutzen-Analysen bereitzustellen. Dabei ist die Erforschung des Einsatzbereichs der verschiedenen Methoden zur Bestimmung prozess-induzierter Deformationen - von einfachen analytisch / empirischen über phänomenologisch FE-basierten bis hin zu detaillierten Simulationen des Kompaktierungs- und Aushärtungsprozesses - und der Bewertung gegenüber dem konventionellen iterativen Tool- Anpassungsprozesses zentraler Arbeitspunkt.

Abbildung 3: Temperaturverteilung an einem Spantquerschnitt [Eurocopter] am Ende der zweiten Heizphase [simuliert mit der Software Compro2D / Raven der Firma Convergent Manufacturing Technologies, Vancouver, Canada]

Aushärtesimulation

Der Vernetzungsgrad stellt bei duro- plastischen Matrixmaterialien die zentrale Zustandsgröße zur Beschreibung der Harzeigenschaften wie Exothermie-Effekte, Schwindung, Viskosität, Modul-entwicklung etc. während der Aushärtung dar. Die Ergebnisse der Thermalanalyse dienen einerseits als wesentlicher Baustein für detaillierte Methoden zur Bestimmung von PID, können aber auch zur virtuellen Prozessoptimierung (z.B. Bestimmung des optimalen Entformungszeitpunkts, mini- male Prozessdauer und entsprechende Prozessdefinition zum Erreichen festgelegter Materialeigenschaften wie Tg) eingesetzt werden. Forschungsschwerpunkte sind die Charakterisierung und Modellierung der Veränderung der Materialeigenschaften während der Aushärtung (z.B. Harzkinetik, Modulentwicklung etc.) sowie die Erweiterung des Anwendungsbereichs von Multi-Physics-Simulationsplattformen für aktuelle und neue Prozesstechniken (unter anderem für elektrisch beheizte Werkzeuge).