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Scherschneiden kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe. Fertigungstechnologie und numerische Modellierung

Antragstellerinnen / Antragsteller Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, seit 7/2019; Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
Fachliche Zuordnung Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Förderung Förderung von 2016 bis 2021
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286076101
 
Erstellungsjahr 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Als Ergebnis dieses Forschungsprojektes liegt ein verbessertes Verständnis über das Prozessund Werkstoffverhalten beim Scherschneiden vom untersuchten CFK in Bezug auf Schnittflächenqualität, Trennmechanismen und Prozesskräfte vor. Hierfür wurden ein analytisch-empirisches und ein numerisches Prozessmodell entwickelt. In AP1 wurde das Scherschneidwerkzeug für die messtechnische Erfassung der Prozesskräfte instrumentiert. Mittels dieses Werkzeugs wurden experimentelle Scherschneidversuche durchgeführt. Die Ermittlung der benötigten maximalen spezifischen Schneidkraft 𝑓c,max zur CFK-Werkstofftrennung verlief in Abhängigkeit der Faserorientierung 𝜙 relativ zur Schnittlinie. Einerseits wurden signifikante Prozessgrößen wie z. B. 𝑓c,max der unidirektionaler sowie biaxialer und quasiisotroper CFK-Laminate bestimmt. Andererseits wurden mittels qualitativer und quantitativer Methoden die Schnittflächen schergeschnittener CFK-Werkstoffe charakterisiert. Der Schneidspalt 𝑢 wurde als der Prozessparameter mit der signifikantesten Auswirkung auf den Schneidwiderstand identifiziert und wurde in AP5 für die Simulation des Scherschneidprozesses bei der numerischen Berechnung der Prozesskräfte implementiert. In AP 2 wurden Proben aus Scherversuchen untersucht, sowie Zugversuche und Scherversuche durchgeführt. Aus den Zugversuchen wurden Materialparameter gewonnen. Die Ergebnisse der Scherversuche wurden im Hinblick auf das Versagensverhalten und den Einfluss der Faserrotation analysiert. Hierbei zeigte sich, dass das angenommene Materialverhalten (Schädigung der Matrix, Faserrotation und Bruch der Faser) aus den Schneidversuchen auch bei den Scherversuchen zu beobachten ist. In AP3 wurde ein Materialmodell zur Simulation des Schädigungsverhaltens entwickelt. Hierbei wurde basierend auf einem St. Venant-Kirchhoff-Ansatz eine anisotrope Erweiterung formuliert. Dieses Framework gestattet die Simulation kleiner Deformationen aber großer Rotationen im Schneidspalt. Das Materialmodell wurde mittels RVE-Simulationen auf Basis realer Querschnitt-Geometrien validiert. Zur Behebung einer pathologischen Netzabhängigkeit wurde die nichtlokale Formulierung im Rahmen der mikromorphen Gradientenerweiterung verwendet. Zudem wurde gezeigt, dass sich durch die Anwendung einer Anisotropie in der Gradientenerweiterung die gleiche Rissausbreitung in den Simulationen und den Versuchen (AP2) erzielen lässt. In AP4 wurde das Verhalten der in Abaqus integrierten Elemente im Hinblick auf Scher- und volumetrisches Locking untersucht. Hierbei wurden zwei in der Literatur gebräuchliche Beispiele verwendet. Es zeigte sich, dass die in Abaqus vorhandenen, reduziert-integrierten Elemente bereits beide Lockingphänomene in ausreichender Weise beheben. Die aus den Experimenten gewonnenen Erkenntnisse wurden in AP5 für den Aufbau eines numerischen Prozessmodells verwendet. Das Prozessmodell bestand aus drei analytisch-starren Elementen (Stempel, Niederhalter und Schneidplatte) und einem deformierbaren Element, das den CFK-Werkstoff kontinuumsmechanisch abbildet. Das Werkstoffmodell beruhte auf den Bedingungen der Schädigungsinitiierung für Matrix- und Faserwerkstoff unter Zug- sowie Druckbelastung nach PUCK und HASHIN. Der Parameter faser-orthogonale Schubfestigkeit Rf⊥∥ wurde zur Beschreibung des Effekts der Scherspannungen auf den Faserbruch eingeführt. Mit einem iterativ bestimmten Wert von Rf⊥∥ = 120 MPa stimmten die experimentell ermittelten maximalen spezifischen Schneidkräfte mit denen aus der numerischen Prozesssimulation mit einer geringen relativen Abweichung von etwa 𝑥 = 3,6 % überein.

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