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Prozesssimulation am ITV – Möglichkeiten für Faserverbundstrukturen

Hermann Finckh, Hansjürgen Horter, Prof. Dr. H. Planck

Bereich Automatisierung/Simulation

Leiter: Hansjürgen Horter

Fachkongress Composite Simulation 23. Februar 2012 Musikhalle Ludwigsburg

© DITF/ITVZentralbereiche

Gliederung

1. Einleitunge

2. Ziele FE-Simulationen am ITV

3. Problematik und Relevanz der Eigenschaftsberechnung von Textilien/Halbzeuge

4. Mikro-, Meso und Makromodelle für textile Flächen

5. Generierung von Simulationsmodellen zur Prozesssimulation

6. Beispiele zur Prozesssimulation

7. Laufende Projekte zur Prozesssimulation


1. Einleitung Herstellungsprozesse im Faserverbundbereich

Die Herstellung von Faserverbundbauteilen aus Endlosfasern erfordert eine Vielzahl von Fertigungsschritten:

� Filamentherstellung (CFK, GFK, Feinheit, Filamentquerschnitt …)

� Roving-Herstellung (Ausrüstung mit Schlichte, Wickelvorgänge, Hybridrovingz.B. aus PA/Glasfasern, Gleitfaserrovings).

� Halbzeugherstellung (Konventionelles Weben, Multiaxialwirken, Vernähen, Flechten, Legen, Sticken TFP, nicht konventionelle Webtechniken wie Drehergewebe, Stickwebtechnik Open Read Weaving.

� Handling/Drapierung/Umformung der Halbzeuge.

� Infiltration und Aushärtung von Harzen.

� Aufschmelzung und Nachverformung von Faserverbundbauteilen aus Hybridrovings mit thermoplastischen Faseranteilen.

� Kleben, Verbindungstechnik …


1. EinleitungTextile Halbzeugfertigung

� Zur Herstellung textiler Flächen/Halbzeuge gibt es zahlreiche Fertigungsmethoden (Weben, Stricken, Wirken, Flechten, ...).

� Jeder dieser Prozesse besitzt wiederum zahlreiche Möglichkeiten/Parameter zur Gestaltung/Ausführung des Strukturaufbaus.

� Langwierige und kostspielige Trial-and-Error-Methode.

� Im Faserverbundbereich kommen schwerpunktmäßig die Fertigungsverfahren Weben, Flechten und Legen zum Einsatz.

� Die hochfesten Verstärkungsfasern im Halbzeug sollten möglichst gering auf Biegung beansprucht werden. Dies schränkt die zahlreichen textilen Herstellungsverfahren und -variationen ein.

� Industriell eingesetzte Halbzeuge werden z.Z. mit weitestgehend konstanten Prozessparametern gefertigt.

� Spezielle Anforderungen an das Faserverbundbauteil wie Funktionsintegration/hohe Drapierbarkeit/Automatisierbarkeit der Prozesse werden zukünftig zur Anwendung/Entwicklung innovativer textiler Fertigungsverfahren führen.


1. EinleitungVorteile der Prozesssimulation

� Systematische Analyse von Randbedingungen und Materialeigenschaften.

� Gezielte Untersuchung einzelner Parameter.

� Besseres Verständnis phänomenologischer Zusammenhänge.

� Eignung/Grenzen des virtuelles Halbzeugs kann bzgl. seines Einsatzes analysiert werden, ohne dass zuvor teurere und extrem zeitaufwendige Halbzeuge hergestellt werden müssen.

� Gezielte Halbzeugauswahl entsprechend spezifischer Bauteilanforderungen.

� Mehr Funktionalität erreichbar z.B. höhere Drapierbarkeit.

� Schnellere Produktentwicklung/Optimierung.

� Anstatt teure Gesamtbauteilprüfungen günstige Einzelprobenprüfung.

� Integration in der Fertigung zur Simulation einer durchgängigen Prozesskette

� …


Drapieren eines Aramidgewebes

Simulation der Maschenbildung Simulation von Multiaxialwirken

2. FE-Simulationen am ITV

� Garne

� Webware

� Maschenware

� Geflechte

� Faserverbund

� Impakt

Simulation von Flechtprozessen

Drapieren einer eingespannten Maschenware


2. FE-Simulationen am ITV - Schwerpunkte

Simulation der Eigenschaften/Fertigung textiler Flächen bzw. Faserhalbzeuge:

� Berechnung mechanischen Eigenschaften von Textilien (Verformung und Belastung) für unterschiedlichste Belastungsarten (Zug, Scherung, Impact, Drapierung, Temperatur ...)

� Untersuchung phänomenologischer Vorgänge und Funktionsmechanismen als Grundlage für die Entwicklung neuer verbesserter Produkte und Verfahren.

� Simulation textiler Herstellungsprozesse - Virtual Prototyping: Gewebeherstellung (Leinwand-, Köperbindung, Drehergewebe… ), Flechten, Multiaxialgewirke, Wickeln, Drapieren …

� Einsatz der entwickelten FE-Mikromodellierung für Faserverbundberechnungen.

� Neue Forschungsschwerpunkte: Einsatz der Computertomographie zur Simulationsmodellgewinnung und Verifikation, Strömungssimulationen


2. FE-Simulationen am ITV

Ausrüstung/Erfahrungen/aktuelle Projekte:

� Einsatz des expliziten FE-Programms LS-DYNA auf Hochleistungsrechner ( ergänzt durch Hyperworks, ANSYS, Animator, WiseTex, …)

� Umfangreiche spezielle Prüftechnik für Roving- und Halbzeuge (Hochgeschwindigkeitszugprüfungen mittels Rotationsprüfstand, Reibungs-, Biegungs-, Torsions-, Kompressions-, Scher-, Drapierprüfungen, bald auch Biaxialprüfungen)

� Aktuell laufende Projekte zu Prozesssimulationen: BMBF Projekt TPult, Baden-Württemberg Projekt TC², AiF ZIM-RTM und Forschungscampus Stuttgart (beantragt)



� Textilien besitzen generell ein hochgradig nichtlineares Materialverhalten, das aus den Garneigenschaften und dem komplexen Strukturaufbau resultiert.

� Im Faserverbund-Bereich werden Textilien/textile Flächen als Halbzeuge/Verstärkungsstrukturen und die Garne als Rovings bezeichnet.

� Die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils resultieren aus dem Halbzeug- und dem Harz, in das das Halbzeug eingebettet ist.

� Dabei sind folgende Faktoren von Bedeutung: der Faser/Matrix-Haftung, der Faserdichten, der Faserorientierung und der Fertigungsqualität (z.B. Lunker, trockene Stellen, Bereiche stark variierende bzw. geringe Faserdichte …).



� Zur Herstellung komplex geformter Faserverbundbauteile, müssen die Halbzeuge entsprechend umgeformt bzw. drapiert werden.

� Daraus resultieren jedoch in der Regel starke reibungsbehaftete Faserverlagerungen, Faserwinkel- und Faserdichteänderungen und schlimmstenfalls Faltenbildung.

� Faserdichte- und Faserorientierungsänderungen führen zu Eigenschaftsänderungen zu lokal unterschiedlichen Durchströmungswiderstände beim Halbzeug (beeinflusst Harz-Infiltrierbarkeit, trockene Stellen, Harznester .. ).

� Mechanisches Verformungsverhalten (insbesondere Scherung) und Prozesse der Drapierung/Umformung der Halbzeuge zur Endkontur sind von zentraler Bedeutung für die Fertigung und die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteiles.


4. FE-Simulation mit Makromodellen

� Material wird nur als zweidimensionales Kontinuum abgebildet� Eingeschränkte Berechnung des Kraft/Dehnungs-Verhalten bei 3D-Belastung� Eingeschränkte Berechnung des Drapierverhaltens von textilen Flächengebilden

mit Simulationsmodellen aus FE-Flächenelementen

⇒ aufwendige experimentelle Kennwertermittlungen am Endprodukt erforderlich⇒ Simulationsmodelle sind immer speziell dem eingesetzten Material und der

Belastungssituation angepasst.

Simulation der biaxialen Zugbelastung (z.B. Airbaggewebe)

Simulation des Verformungsverhalten mittels Makromodelle:

Mikromodell: Einzelfilamente Mesomodell: Fäden/Roving Makromodell: textile Fläche (Flächenelemente, anisotropes Materialverhalten

nur über Materialbeschreibung, freie Modellierung)


4. FE-Simulation mit Makromodellen

� die lokalen, reibungsbehafteten Faden/Faden-Verlagerungsvorgänge während der Belastung bzw.

� die Änderung der Fadendichte

� die Änderung der Fadeneinbindung

� die Änderung der Faden/Faden-Orientierung

� die Dickenänderung aufgrund des Kompressionsverhalten der Garne

Diese Simulationsmodelle berücksichtigen jedoch nicht:

Solche Simulationsmodelle sind daher problematisch bei komplexen, insbesondere lokal ausgeprägten Belastungsvorgängen (z.B. Drapieren, Kantenverzug, Stich- oder Stoßbelastung)


4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. Mesomodellen

Mit diesem Verfahren werden alle Fäden des Flächengebildes modelliert.

Große Fadenverschiebungen und Faden/Faden-Reibung werden hier berücksichtigt

Lösung:

� Entwicklung der ITV-Einzelfadenmodellierung (Mikro/Meso-Modellierung)� Anwendung des expliziten Finite-Elemente Programms LS-DYNA� Ausgeprägter Einsatz der Kontaktprüfung innerhalb LS-DYNA

� Optimierung der Kontakt-, Modell und Berechnungsparameter� Entwicklung von Fadenmodelle für die verschiedenen Garne/Rovings, da

diese eine zentrale Rolle bei der Prozesssimulation besitzen.


4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenGarn-/Rovingeigenschaften

Die wichtigsten Garneigenschaften, die im hohen Maße das mechanische Verhalten der textilen Flächengebilde bestimmen, sind:

� Kraft/Dehnungs-Verhalten� Garnkompression� Reibung� Biegesteifigkeit und � Torsionssteifigkeit

Die Garneigenschaften werden bestimmt durch:� Garnstruktur� Garnmaterial� Feinheit� Klima� Belastungsgeschwindigkeit

Stapelfasergarne (z.B. Gleitfasergarne im FV)

Kammgarn

Multifilamentgarn(z.B. Roving im FV)

Zwirn

Monofilament



Im Faserverbundbereich eingesetzten Rovings:

� Multifilamentgarne mit sehr geringer bzw. keiner Drehung.

� Extrem hohe Filamentanzahl (z.B. 50000).

� Filamente besitzen nur wenige µm Durchmesser.

� Rovings sind zur weiteren Verarbeitung mit einer Schlichte ausgerüstet.

� Rovings haben im Vergleich zu textilen Garnen einen rechteckigen Querschnitt.

� Neue Rovingentwicklungen sind der Einsatz von Gleitfasern (analog der Stapelfasergarn-Technologie) und Hybridrovings, die aus verschiedenen Fasermaterialien hergestellt werden.

Analog „klassischer“ textiler Garne hängen die Rovingeigenschaften von denselben Parametern ab. Aufgrund der extrem hohen Filamentanzahl/Feinheit haben die Parameter jedoch eine andere Gewichtung für das mechanische Verhalten im Halbzeug.



0 80 160 240 320 400

Kompressionskraft in cN

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Pla

ttena

bsta

nd in

µm

0 80 160 240 320 400

Kompressionskraft in cN

300

400

500

600

700

800

900

Pla

ttena

bsta

nd in

µm

Rovingdicke µm in Abhängigkeit von der Kompressionskraft

Biaxial-Carbon-Gelegekomprimiert mit 4 N

50 K Carbon-Rovingkomprimiert mit 4 N

ITV Kompressionsmikroskop


4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenMikromodell für Multifilamentgarne

� Filamentanzahl� Garndrehung� Materialdaten� Elementdimension

Simulation der Zugbelastung für Multifilamentgarne mit Drehung

Mikromodell:

Das der Realität entsprechende Fadenmodell besitzt die Filamentanzahl des Garns/Roving. Dies ist wegen dem extremen Berechnungsaufwand nicht möglich.

Das Fadenmodell erfordert daher eine Idealisierung bzgl.:



Verifikation des Kraft/Dehnungsverhaltens des ITV-Einzelfilament Garnmodells durch Vergleich des gemessenen mit dem berechneten Kraft/Dehnungs-Verhalten für ein 115 tex-PES-Multifilament

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Dehnung in %

Zug

kraf

t in

N

Gemessenes Kraft/Dehnungs-Diagramm

Garnmodell mit 17 Filamenten, keine Garndrehung

Garnmodell mit 17 Filamenten, Garndrehung 100, µ = 0

Garnmodell mit 17 Filamenten, Garndrehung 100, µ = 0,2



Simulation der Drehungsgebung (115tex-PES-Multifilament)

Simulation der Kompressionsprüfung (115tex-PES-Multifilament)



Verifikation des Garnmodells durch den Vergleich des gemessenen und berechneten Kompressionsverhaltens für ein 115tex-PES-Multifilament (100 Filamente)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

100 150 200 250 300 350 400

distance of plates in µm

com

pres

sion

forc

e in

cN

measured yarn compression, tensile load F=40 cN

single-filament yarn model, tensile load F=51 c N

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

100 150 200 250 300 350 400

distance of plates in µm

com

pres

sion

forc

e in

cN

measured yarn compression, tensile load F=720 cN

single-filament yarn model, tensile load F=720 cN


4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenAllgemein anwendbares Fadenmodell

Vorteile:� viele Parameter zur Festlegung des Garneigenschaften� einsetzbar für verschiedene Garnarten� das Garnmodell verhält sich stabil (selten Modellversagen) � der Berechnungsaufwand ist erheblich geringer im Vergleich zum ITV -

Einzelfilamentmodell

Nachteile:� viele Parameter zur Festlegung des Garneigenschaften� Weniger genau als das ITV-Einzelfilamentmodell

ITV-Hybrid-(Meso)Fadenmodell



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

elongation in %

tens

ile fo

rce

in N

measured force/elongation-diagram

tensile load of the thread casting and axis

tensile load of the thread axis

tensile load of the thread casing

Kraft/Dehnungs-Diagramm des 115 tex-PES-Multifilament (100 Filamente): Beispiel der Belastungsverteilung zwischen Fadenhülle und Fadenachse

Simulation der Zugprüfung



Simulation des Umschlingungsvorgangs zwischen einem 68 tex PES-Monofilament (∅ 0,25 mm) und einem 115tex-PES-Multifilament (100 Filamente)

Ausgangssituation

max. Belastung

Entlastung

Modellversagen Umschlingung

Simulation der Garnkompression bei gleichzeitiger Zugbelastung


5. Möglichkeiten der Generierung von Modellen zur Prozesssimulation (z.B. Drapieren)

� analytische und geometrische Beziehungen (z.B. mittels CAD-Funktionen)� Einsatz spezieller Software z.B. WiseTex (K.U. Leuven)� Modellableitung auf Basis von CT-Analysen von Halbzeugen� Herstellungssimulation

Kettfadenmodell mit 1 Balkenelement Kettfadenmodell mit je 3 Balkenelemente

Gewebemodelle durch einfache geometrische Beziehungen generiert


5. Möglichkeiten der Generierung von Modellen zur Prozesssimulation: WiseTex, K.U. Leuven

Generierung eines Gewebemodels mit WiseTex


5. Möglichkeiten der Generierung von Modelle zur Prozesssimulation – entwickelte ITV Programme

Erstellung von Textilmodellen (Urzellen) durch Prog rammierung

Textil-geometrie

APDL / PERL / etc. FE-Code


5. Möglichkeiten der Generierung von Modelle zur Prozesssimulation – mit Hilfe der CT-Technologie

CT-Aufnahme

FE-Urzelle FE-Textilmodell


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierung einer Maschenware

FE-Berechnungsbeispiel:� Drapiersimulation von einer Maschenware (Piqué) mittels einer Kugel (15 mm Ø) � Experimentelle Drapierprüfung mit der Kugel und der Lochplatte (30 mm Ø )� Vergleich Simulation mit der experimentellen Prüfung


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierung einer Maschenware

a) Simulation b) Experimentelle PrüfungVergleich zwischen der experimentellen und der simulierten Bezugsprüfung (30 mm Eindrücktiefe)

Alle Fadensysteme grau eingefärbt

Draufsicht Frontansicht Seitenansicht


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierung/Bezug einer Maschenware

Fadensysteme grau und orange eingefärbt

Fadensysteme rot und orange eingefärbt

Frontansicht Seitenansicht


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Wickel- und Schrumpfvorvorgänge

ITV-Spulengenerierungs-Simulation:Fadenlagen werden zunächst näherungsweise durch eine mathematische Funktion beschrieben.Bei der anschließender Schrumpfsimulation kommen Fadenlage aufeinander zu liegen und presst die Hülse zusammen


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Köper 3/1 Z Gewebe - Monofilamentgarne

Köperbindung 3/1 Z:� vorgespannte Kettfäden werden Litzen geführt (Kontaktprüfung)� Köperbindung entsteht durch die vordefinierte Litzen-Bewegung.

Kette: Monofilament ∅ 0,118 mm; Schuss: Monofilament ∅ 0,235 mm; 24,6 Kettfäden/cm, 17,4 Schussfäden/cm

240 Fäden

Unterseite (240 Kettfäden)


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Aramidgewebe aus Multifilamentgarne

Websimulation

Multifilamentgarne:

� Aramid� Feinheit 1100 dtex,� 12,25 Garne/cm.� Garn mit 17 einzelnen

Filamenten idealisiert(∅ 0,074mm)

Kettfadenspannung fehlerhaft


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Scherbelastung des berechneten Aramidgewebes


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Impactbelastung des berechneten Aramidgewebes

� Filamente weichen der Belastung aus� Lokale Fadenverschiebungen� Filamente reißen aufgrund der Zugbelastung

DITF- ITV Denkendorf

Impact Simulation


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierbelastung des berechneten Aramidgewebes


6. Beispiele zur Prozesssimulation:Herstellung von ATMOFIL © Gewebe

1 mm

ATMOFIL-Effekt Garn besteht aus zwei PES Komponente n:

� schrumpfender Anteil: 45 % bei 95°C, bleibt konsta nt bis 180°C

� längender Anteil: 10 % bei 95°C bis zu 17 % bei 180° C

DSE-(differential-shrinkage-elongation) Garn


6. Beispiele zur Prozesssimulation:Herstellung von ATMOFIL ©-Gewebe


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drehergewebeherstellung (Markisenstoff)

Diese entwickelte Prozesssimulation stellt eine optimale Basis zur Erweiterung zur Prozesssimulation von Multiaxialweb- bzw. Stickwebtechnologie „Open Reed Weaving“ (ORW)


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Maschenbildung


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Maschenbildung: Multiaxialgewirke

� Basierend auf diese Prozesssimulation können auch ähnliche Prozesssimulationen wie die Herstellung von Multiaxialgelegen (z.B. Kettwirkmaschine) entwickelt werden.


6. Beispiele zur Prozesssimulation: „Flechten einer Kordel“


6. Beispiele zur Prozesssimulation: „Umflechten eines Stabs mit 36 Nitinolfäden“

Umflechtung eines Stabes mit 3 mm Durchmesser mit 0 ,1 mm Nitinol Draht


6. Beispiele zur Prozesssimulation: „Umflechten eines Stabs mit 36 Nitinolfäden“


6. Beispiele zur Prozesssimulation: Umflechten eines Stabs – Umformung mittels ZugZugbelastung des zuvor berechneten Geflechts


7. Laufende Projekte zur FE-Prozesssimulation:BMBF Projekt TPult

BMBF Projekt TPult, Laufzeit: Okt. 2011-2014„Energieeffizientes Pultrusionsverfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen mit thermoplastischer Matrix in Serienanwendungen“

Aufgaben bzgl. der FEM Simulation:

� Entwicklung der Faserverbund-Mikrostrukturcharakterisierung und Modellableitung auf Basis hochaufgelöster Computer Tomographie (CT) Daten, Entwicklung/Anpassung von Faserverbundelemente für das Mapping der extrahierten Faserinformationen (optimierte Homogenisierung).

� Flechtsimulation und Prozesssimulation zur Abschätzung des Prozesseinflusses auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils

� Simulation verschiedener Belastungsfälle und Bewertung von Simulationsergebnissen mittels CT-Analysen realer Probekörper

AP Simulation/FEM

MTC und Hamburg

CT-Aufnahme, Faserextraktion Modellgenenerierung Flechtsimulation

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.


7. Laufende Projekte zur FE-Prozesssimulation: Technologie-Cluster Composites Baden-Württemberg TC²

Projekt TC², Laufzeit: 10/2011-10/2013 Teilprojekt RTM CAE/CAx - Aufbau einer durchgängigen CAE/CAx-Kette für das RTM-Verfahren vor dem Hintergrund der Herstellung von Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen.(Eine Initiative des KIT und wird durch Mittel der Baden-Württemberg Stiftung GmbH gefördert)

ITV Aufgaben bzgl. der FEM Simulation:� Modellierung und Beschreibung des Drapierverhaltens textiler Verstärkungsstrukturen (Teilprojekt mit IFB Stuttgart)

Komplex gestaltete Sattelform mit hohen Drapieranforderungen

Erste Simulationsergebnisse

der Drapierung mit UD-Gewebe

Entwickeltes ITV Hybridmodel für ein UD-Gelege durch Kombination unterschiedlicher Elementarten (Balken/Flächenelemente) und Kontaktprüfung. Jeder einzelne Roving ist mit einer Serie zusammenhängender Flächenelemente modelliert (Mesomodell).

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Hermann FinckhTel.: (0711) 9340-401E-Mail: [email protected]

Hansjürgen HorterTel.: (0711) 9340-279E-Mail: [email protected]

Die vorgestellten Ergebnisse entstanden im Wesentlichen in mehreren DFG, AiF- und EU- Vorhaben.

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