Modelling and Simulation of the Closed Injection Pultrusion Process

Pultrusion ist eine etablierte Herstellungstechnik für die Produktion faserverstärkter Kunststoffprofile. Der Prozess ist durch einen relativ hohen Automatisierungsgrad und geringe Investitions- und Betriebskosten im Vergleich zu den meisten anderen Herstellungstechniken für Faserverbundbauteile gekennzeichnet. Als Standard-Variante wird ein offener, mit flüssigem Harz gefüllten Behälter für die Tränkung der Faserverstärkungsmaterialien eingesetzt. Die Verschärfung von Gesetzen zum Schutz von Mitarbeitern am Arbeitsplatz, die Einführung neuer Harzsysteme mit kurzer Topfzeit (z.B. Polyurethane), sowie gestiegene Qualitätsanforderungen für neue Anwendungen (z.B. im Fahrzeugbau) haben einen Trend eingeleitet, der die Pultrusionstechnologie signifikant verändern soll. Die Auslegung von Pultrusionswerkzeugen mit integrierten bzw. zusammengebauten Werkzeugkavitäten, in die Harz eingespritzt wird, das die Verstärkungsstrukturen unmittelbar vor der Aushärtung tränkt, soll die offene Tränkungstechnik ersetzen. In dieser Dissertation werden Simulationstechniken eingesetzt, um Erkenntnisse bzw. ein besseres Verständnis über die physikalischen Prozesse bei der Pultrusion mit geschlossenen Harzeinspritzung und Imprägnierung zu gewinnen: das Fließen vom flüssigen Harz durch ein komprimiertes Faserpaket, Wärmeübertragung zwischen Material und Werkzeug, und die Aushärtung (verbunden mit Änderungen im Materialzustand und Wärmegenerierung durch die exothermische Reaktion). Um diese Prozesse zu untersuchen, werden Materialkennwerte des Harzsystems (Reaktionskinetik und Veränderung der Viskosität während der Aushärtung) und Faserstrukturen (Kompressibilität und Permeabilität) experimentell ermittelt. Ein geometrisches Modell des Werkzeugs und entsprechende Randbedingungen werden in eine kommerzielle Software numerischer Strömungsmechanik (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD) eingepflegt und der Prozess wird simuliert. Ein auf die finite Differenzmethode basiertes Simulationsprogramm wurde entwickelt, um das CFD-Modell zu ergänzen. Die Simulation liefert Druck-, Temperatur-, Viskositäts- und Aushärtegradfelder in der Kavität. Simulationsergebnisse werden mit Prozessparametern aus experimentellen Versuchen abgeglichen, um das Modell zu validieren. Geometrische Details werden parametrisiert, um den Einfluss auf die Prozessbedingungen zu evaluieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der in dieser Arbeit verfolgte ganzheitliche Ansatz, d.h. die Kopplung eines thermochemischen Modells und des Strömungsmodells, zum Erzielen realitätsnahen Vorhersagen, zumindest für hochreaktive Harzsysteme erforderlich ist. Eine Modellerweiterung, welche die Ausdehnung der Werkzeugkavität berücksichtigt, wäre hingegen für eine bessere Vorhersage des Druckanstiegs notwendig. Weiterhin, wäre für bestimmten Werkzeuggeometrien, Materialsystem bzw. Prozessfenster ein transienter Ansatz für eine realitätsnahe Vorhersage und für die Evaluierung der Prozessstabilität sinnvoll