MAI Form – Verbesserung der Prognosefähigkeit für Umformprozesse von Verbundwerkstoffen mit thermoviskosen Eigenschaften in Großserienanwendungen durch verbesserte Charakterisierungs-, Simulations- und Validierungsmethoden

Verbesserte Simulationsmodelle für das Umformen themoviskoser Faserhalbzeuge wurden entwickelt und durch einen Abgleich mit Doppelsinus-Umformversuchen und anschließender Messung der Faserorientierungsverteilung in einer Auswerteroutine validiert.

Projektpartner
Automation W+R GmbH, BMW AG, Dassault Systèmes Deutschland GmbH, SGL Carbon GmbH, Voith Composites GmbH & Co. KG

Laufzeit
01.11.2014 – 30.04.2017

Fördergeber
Bundesministerium für Bildung und Forschung

Motivation
Das Projekt MAI Form zielte auf die Verbesserung der Vorhersagegüte von Umformprozessen von thermoviskosen Halbzeugen ab. Vor dem Hintergrund von automobilen Großserienprozessen sollten im Projekt MAI Form verbesserte Methoden für die Prognosefähigkeit von Simulationen wie auch von experimentellen Charakterisierungs- und Validierungsmethoden für die Umformung erarbeitet werden. Mithilfe dieser verbesserten Methoden lassen sich künftig Fertigungsprozesse schneller und zuverlässiger hin zu einer hohen Prozessrobustheit entwickeln, Fasermaterialien können optimal eingesetzt und damit letztlich Herstellungs- und Entwicklungskosten eingespart werden. Ein Weg, über das genaue Verständnis der Herstellungsprozesse zu robusten Fertigungsprozessen zu gelangen, ist die numerische Simulation dieser Prozesse sowie die Auswertung der Fertigungseinflüsse. Dazu müssen Simulationsmethoden für Umformvorgänge wie auch für Auf- und Abkühlprozesse entwickelt werden und letztlich eine geschlossene Simulationskette hergestellt werden. Ziel dieses Projektes war es daher, diese Simulationskette in nur einem einzigen Software-Tool zu realisieren, um eine Anwendbarkeit in den Entwicklungsprozessen der automobilen Großserie gewährleisten zu können.

Setup eines Drapierversuches mit Doppelsinusgeometrie in einer Klimakammer (links)

Optische Vermessung der Faserorientierung mit PROFACTOR-Sensor (rechts)

Vorgehen
Inhalt des Teilvorhabens des Lehrstuhls für Carbon Composites war die Erarbeitung und Weiterentwicklung von Methoden zur Simulation des Umformprozesses von Verbundstrukturen sowie die Entwicklung neuer Prüfmethoden zur Materialcharakterisierung für Umformprozesse. Mittels einer MATLAB-Routine wurden Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen systematisch abgeglichen. Folgende, wesentliche Erkenntnisse konnten erzielt werden:

Dynamische Versuche könnten die Erreichung von größeren Dehnraten ermöglichen, wenn diese außerhalb des linearen viskoelastischen (LVE) Bereichs durchgeführt würden.
Die neue Materialkarte MAT 140 von 2015 in PAM-FORM 2G (Fa. ESI GmbH) vereinfacht die Modellierung des Halbzeugs, da Eigenschaften bei gegebenen Temperaturen und Dehnraten tabellarisch als Spannungs-Dehnungs-Daten eingetragen werden können.
Geeignete Reibungsmodelle sind für die Modellierung von faserverstärkten Thermoplasten erforderlich. Reibungsmodelle sollen eine Faserrichtungsabhängigkeit berücksichtigen. Dazu können auch eine Temperatur-, Druckbelastung- und Geschwindigkeitsabhängigkeit berücksichtigt werden.

Publikationsliste
Margossian, A.; Bel, S.; Hinterhölzl, R.: On the characterisation of transverse tensile properties of molten unidirectional thermoplastic composite tapes for thermoforming simulations. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 88, 2016, 48-58
Margossian, A.; Bel, S.; Hinterhölzl, R.: Bending characterisation of a molten unidirectional carbon fibre reinforced thermoplastic composite using a Dynamic Mechanical Analysis system. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 77, 2015, 154-163
Margossian, A.; Hörmann, P.; Zemliana, K.; Avila Gray, L.; Bel, S.; Hinterhölzl, R.: Shear characterisation of unidirectional thermoset pre-impregnated composites using a rheometre. 19èmes Journées Nationales sur les Composites, 2015
Margossian, A.; Reger, A.; Singh Pardeshi, B.; Bel, S.; Hinterhölzl, R.: Interply Slip Characterisation in Thermoplastic Laminates for the Devel-opment of FE Thermoforming Simulations. Proceedings of the 13th International Conference on Flow Processes in Composite Materials (FPCM), Kyoto, Japan, 2016

Danksagung
Der Lehrstuhl bedankt sich für die Förderung des Projektes „Verbesserung der Prognosefähigkeit für Umformprozesse von Verbundwerkstoffen mit thermoviskosen Eigenschaften in Großserienanwendungen durch verbesserte Charakterisierungs-, Simulations- und Validierungsmethoden – MAI Form“, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über den Spitzencluster MAI Carbon gewährt wurde (Förderkennzeichen: 03MAI22F).

Ansprechpartner
Dr.-Ing. Swen Zaremba

Abschlussbericht
Externer Link (pdf)