Erstellung und Validierung eines Materialmodells zur Vorhersage der prozessinduzierten Verformungen nach der Konsolidierung eines L-Winkel-Preforms

Das Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) untersucht am Standort Stade neuartige Fertigungstechnologien im Industriemaßstab. Ein Fokus liegt hierbei auf der voll automatisierten Fertigung von Großserienbauteilen aus textilen Halbzeugen im RTM-Prozess. Durch eine endkonturnahe Fertigung sind kürzere Prozesszeiten und somit höhere Stückzahlen möglich. Dafür werden sämtliche Schritte entlang der Prozesskette betrachtet: Vom Zuschnitt und der Handhabung trockener Kohlenstofffaser-Halbzeuge über das Drapieren, Konsolidieren und die Feinbesäumung der Preforms werden alle Technologien betrachtet. Innerhalb des Preformings ist einer der wichtigsten Schritte die Konsolidierung, da hier der Preform seine finale Geometrie erhält. Während der Konsolidierung werden einzelne Faserlagen unter Druck und Temperatur kompaktiert. Nach der Kompaktierung treten Relaxationseffekte auf, die jedoch die Preformgeometrie verändern und somit eine automatisierte Fertigung erschweren. In dieser Arbeit wird ein Materialmodell zur Beschreibung der prozessinduzierten Verformungen (Winkel- und Radienänderung) nach der Konsolidierung am L-Winkel-Preform aufgestellt und anhand von praktischen Versuchen validiert. Als Eingangsparameter in das Modell gehen das Kompaktierungsverhalten in Dickenrichtung von ebenen Preforms, die geometrischen Eigenschaften des beabsichtigten L-Winkel-Preforms sowie deren Materialeigenschaften ein. Die Bestimmung der Verformungen erfolgt somit ausschließlich durch ebene Versuche sowie auf Grundlage der Materialeigenschaften. Zur Bestimmung der Verformungen wird ein Materialmodell basierend auf einem Formänderungsenergieansatz gewählt. Dieses verknüpft die verrichtete Arbeit am Preform aus der Ebene mit der am L-Winkel-Preform wirkenden Formänderungsenergie und lässt so die Berechnung des dabei wirkenden Moments und der resultierenden Winkeländerung zu. Zur Durchführung der Validierungsversuche steht eine Versuchsvorrichtung zur Verfügung, welche im Rahmen früheren Abschlussarbeit am DLR entstanden ist. Die Auswertung der Versuche hat gezeigt, dass eine Vorhersage des Schenkelwinkels am L-Winkel-Preform mit einer durchschnittlichen Abweichung zum gemessenen Istwert von 6,12 % möglich ist. Dies entspricht einer durchschnittlichen Abweichung von 0,80°. Bei den Außenradien kommt es zu mittleren Abweichungen von 6,36 % (0,70 mm). Die Innenradien weichen durchschnittlich um 15,19 % (0,66 mm) vom gemessenen Wert ab. Für diese Ergebnisse ist ein Korrekturfaktor notwendig, welcher von dem Elastizitätsmoduls des jeweiligen Laminataufbaus abhängig ist. Bei der Aufstellung der Korrekturfunktionen zeigt sich, dass die auf dem Material aufgetragenen Additive in Form des Tougheners einen entscheidenen Einfluss auf das Relaxationsverhalten haben. Somit unterteilen sich die Materialien in die Gruppen mit und ohne Toughener