Thermoformprozesses langfaserverstärkter Thermoplasten

8 März 2021

Prof. Alexander Lion und Prof. Michael Johlitz, Professur für Mechanik, haben bei der DFG das Projekt Modellierung des Thermoformprozesses von langfaserverstärkten Thermoplasten erfolgreich eingeworben.

Laufzeit: 01.03.2021 bis 29.02.2024
Föderer: Deutschen Forschungsgemeinschaft - DFG-Sachbeihilfe

Der neuartige Einsatz von thermoplastischen Polymeren in Faserverbundkunststoffen bietet den Vorteil, dass diese (im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten) wiederholt erwärmt, verformt und abgekühlt werden können. So eignet sich zur Verarbeitung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen (TPFVK) insbesondere das Thermoformen. Aufgrund der vielen Vorteile (kurze Zykluszeiten, einfache Lagerung und Handhabung, erhöhte Zähigkeit und Recyclingfähigkeit) wächst der Markt für thermoplastische Systeme seit Jahren überdurchschnittlich um 5% pro Jahr. Im Zuge des Thermoformens ist die Prozessstabilität jedoch häufig nur schwer zu gewährleisten. Aufgrund von thermischen Gradienten, der Faser-Matrix-Interaktionen und des komplexen Kristallisationsverhaltens beim Erstarren der eingesetzten Polymermatrix, treten Residualspannungen auf mehreren Skalen auf, die zu Bauteilverzug sowie zu Schädigungen führen können. Konventionelle „Trial-and-Error“-Ansätze sind kaum geeignet um diese Defekte zu vermeiden. Stattdessen stellen computergestützte Modelle eine vielversprechende Alternative dar.
Das übergreifende Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs zur Vorhersage des Thermoformprozesses von TPFVK. Im Zuge dessen ist es zum einen entscheidend, die heterogenen Temperaturfelder und Wärmeströme vorherzusagen. Des Weiteren muss die Evolution der kristallinen Phasen auf der Grundlage der thermischen Randbedingungen erfasst und die zusätzliche Wärmeentwicklung infolge dieser exothermen Reaktion prädiktiert werden. Dies erfordert die Lösung eines voll gekoppelten, transient thermo-mechanischen Problems.

^{Bild: © iStockphoto / SergeyKlopotov}