Mesoscale simulation of the mold filling process of Sheet Molding Compound

Sheet Molding Compounds (SMC) sind diskontinuierlich faserverstarkte Verbundwerkstoffe, die aufgrund ihrer Fahigkeit, Verbundbauteile mit langen Fasern zu geringen Kosten zu realisieren, weit verbreitet sind. Sie ermoglichen Funktionsintegration, wie etwa den Einsatz von Rippen oder metallischen Einsatzen, und konnen mit kontinuierlichen Kohlenstofffasern gemeinsam verarbeitet werden, um die Formbarkeit von SMC mit den uberlegenen mechanischen Eigenschaften von kontinuierlichen Fasern zu kombinieren. Das Streben nach hochintegrierten und komplexeren SMC-Bauteilen erfordert jedoch ein tiefes Verstandnis der Verarbeitungsmechanismen und deren Einfluss auf die Leistungsfahigkeit eines Bauteils. Prozesssimulationen adressieren diesen Punkt, indem sie mogliche Fertigungsfehler und Prozess- parameter vorhersagen. Diese Ergebnisse konnen nicht nur zur Prozessauslegung und zur Reduzierung von Trial-and-Error-Phasen genutzt werden, sondern auch fur die anschliesende Struktursimulation durch eine virtuelle Prozesskette. In dieser Arbeit wird die Prozesssimulation von SMC zunachst mit einem makroskopischen Referenzmodell auf Basis von Faserorientierungstensoren adressiert. Dies entspricht dem Stand der Forschung, aber die zugrundeliegenden Annahmen von geraden Fasern, die viel kurzer als jedes geometrische Merkmal sind, werden in anspruchsvollen SMC-Anwendungen oft verletzt. Dies fuhrt zu der Hypothese, dass eine direkte Simulation einzelner Faserbundel erforderlich ist, um den SMC-Formfullprozess komplexer Geometrien genau zu beschreiben. Basierend auf dieser Hypothese wird eine neuartige direkte Bundelsimulationsmethode (DBS) vorgeschlagen, die eine direkte Simulation auf Komponentenebene ermoglicht und dabei die Beobachtung nutzt, dass Faserbundel wahrend des SMC Fliespressens oft in einer gebundelten Konfiguration verbleiben. Das entwickelte DBS Modell kann mit Patches kombiniert werden, um den Co-Molding-Prozess von SMC mit kontinuierlichen Faserverstarkungen zu simulieren. Daher wird ein Modell zur Beschreibung des Materialverhaltens von unidirektionalen Kohlenstofffaser-Patches einschlieslich eines einfachen Schadigungsmodells zur Vorhersage von Defekten entwickelt. Die Parameter des makroskopischen Referenzmodells, des DBS-Modells und des Patch-Modells werden experimentell bestimmt. Dazu gehoren die thermischen Eigenschaften des SMCs, die temperaturabhangige und ratenabhangige Viskositat der SMC-Paste, die Reibung an der Werkzeugwand sowie die Kompressibilitat des SMCs. Ebenso werden die temperaturabhangigen und ratenabhangigen mechanischen Eigenschaften der Patches bestimmt, die jedoch grose Streuungen zwischen den Proben und Chargen aufweisen. Schlieslich werden die Modelle auf mehrere Validierungsfalle angewandt, um die Anwendbarkeit auf Komponentenebene zu bewerten. Die Beispiele zeigen eine gegenuber dem makroskopische Referenzmodell verbesserte Vorhersage der Faserarchitektur, insbesondere der Faserorientierung in der Nahe von Werkzeugwanden sowie der Vorhersage von Bindenahten und Fliesmarken. Zusatzlich bietet das DBS Modell die Option, Krummungen der Bundel vorherzusagen und den Faservolumenanteil zu berechnen, welche durch Mikro-Computertomographie, thermisch gravimetrische Analysen und Durchleuchtungsbilder validiert werden.