Simulation of the thermoforming process of UD fiber-reinforced thermoplastic tape laminates

Abstract

Einer der entscheidendsten Prozessschritte bei der Herstellung von kontinuierlich faserverstarkten Kunstoffen ist die Umformung von zweidimensionalen Halbzeugen in komplexe Geometrien. Hierbei spielt das nicht-isotherme Stempelumformverfahren von unidirektional (UD) faserverstarkten thermoplastischen Tape-Laminaten aufgrund geringer Zykluszeiten, Materialeffizienz und Recyclingfahigkeit insbesondere in der Automobilindustrie eine immer groser werdende Rolle. Durch die Umformsimulation kann die Herstellbarkeit einer bestimmten Geometrie virtuell abgesichert und hierfur notwendige Prozessparameter bestimmt werden, wodurch eine zeit- und kostenintensive Trial and Error Prozessauslegung vermieden werden kann. \n \nIn dieser Arbeit werden initial anhand einer experimentellen Umformstudie und Materialcharakterisierungen die Anforderungen an die Umformsimulation von teilkristallinen thermoplastischen UD-Tapes abgeleitet. Hierbei zeigt sich, dass ein thermomechanischer Ansatz, unter Berucksichtigung der raten- und temperaturabhangigen Materialeigenschaften, als auch der Kristallisationskinetik, erstrebenswert ist. Darauf aufbauend wird mit der kommerziellen Finite Elemente (FE) Software Abaqus, in Kombination mit mehreren sogenannten User-Subroutinen, ein entsprechender Simulationsansatz entwickelt. \n \nZunachst werden hypo- und hyperelastischen Materialmodellierungsansatze untersucht, sowie ratenabhangige intra-ply Materialmodellierungsansatze vorgestellt. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf dem ratenabhangigen Biegeverhalten, da diese Materialeigenschaft ublicherweise nicht berucksichtigt wird, weshalb hierfur hypoviskoelastische Modellierungsansatze auf Basis eines nichtlinearen Voigt-Kelvin- sowie eines nichtlinearen generalisierten Maxwell-Ansatzes vorgestellt werden. Unter Anwendung dieser Ansatze zeigt sich im Vergleich mit experimentellen Umformergebnissen eine gute Ubereinstimmung. Daruber hinaus wird ein Einfluss der ratenabhangigen Biegeeigenschaften auf die Vorhersage der Faltenbildung beobachtet. \n \nIm nachsten Schritt wird der Ansatz um eine Discrete Kirchhoff Triangle (DKT) Schalenformulierung erweitert, welche in Abaqus als User-Element implementiert ist. Dies ermoglicht im Gegensatz zu dem im vorherigen Kapitel vorgestellten Ansatz die hyperviskoelastische Modellierung des Membran- und des Biegeverhaltens. Darauf aufbauend werden ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-, sowie ein nichtlinearer generalisierter Maxwell-Ansatz, welcher auf einer multiplikativen Zerlegung des Deformationsgradienten basiert, vorgestellt. In der Umformsimulation zeigt sich eine gute Ubereinstimmung mit experimentellen Umformergebnissen. Daruber hinaus wird beobachtet, dass ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-Ansatz fur die Modellierung des Membranverhaltens ausreichend ist. \n \nNeben intra-ply werden auch inter-ply Modellierungsansatze untersucht. Hierfur wird ein erweiterter Ansatz vorgestellt, der neben den ublicherweise berucksichtigten Zustandsgrosen Abgleitgeschwindigkeit und Transversaldruck auch die Relativorientierung zwischen den abgleitenden Schichten berucksichtigt. Bei der Anwendung dieses Ansatzes in der Umformsimulation werden jedoch nur geringe Unterschiede gegenuber einem herkommlichen Ansatz beobachtet. \n \nDer prasentierte Ansatz fur die Umformsimulation von thermoplastischen UD-Tapes wird final zu einem gekoppelten thermomechanischen Ansatz erweitert. Die entsprechende thermische Modellierung berucksichtigt Strahlung, Konvektion und Warmeleitung, sowie die Kristallisationskinetik, wobei das mechanische Verhalten uber die Temperatur und die relative Kristallinitat an das thermische Verhalten gekoppelt ist. Hiermit wird der Ubergang vom schmelzflussigen zum Festkorperzustand vorhergesagt und in der Modellierung des Umformverhaltens berucksichtigt. Hierdurch wird eine verbesserte Ubereinstimmung mit den experimentellen Umformergebnissen erzielt und auch die lokale Temperaturentwicklung akkurat vorhergesagt. Daruber hinaus zeigt sich, dass bei einer ungunstigen Wahl der Prozessparameter eine starke Kristallisation schon wahrend der Umformung auftritt. Da auserdem nur der thermomechanische Ansatz den Einfluss aller relevanten Prozessparameter berucksichtigen kann, wird geschlussfolgert, dass die Berucksichtigung thermischer Effekte sowie der Kristallisationskinetik vorteilhaft fur die virtuelle Prozessauslegung nicht-isothermer Stempelumformverfahren mit teilkristallinen Thermoplasten ist.