Modellierung des Thermoformprozesses von langfaserverstärkten Thermoplasten

Der Einsatz von thermoplastischen Polymeren in Faserverbundkunststoffen bietet den Vorteil, dass diese (im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten) wiederholt erwärmt, verformt und abgekühlt werden können. Zur Verarbeitung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen (TPFVK) eignet sich insbesondere das Thermoformen. 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. Das übergreifende Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs zur Vorhersage des Thermoformprozesses von TPFVK. Die Projektarbeit liefert die folgenden wissenschaftlichen Innovationen: Zum einen wird ein viskoplastisches Materialmodell des Thermoplastes für die gesamte Spanne der prozessrelevanten Temperaturen und Kristallinitätsgrade entwickelt. Des Weiteren erfolgt die Modellierung der komplexen Erstarrungsvorgänge des Polymers aus der Schmelze unter Berücksichtigung der Fasern. Auf der Grundlage dieser Teilmodelle wird ein anisotropes Konstitutivgesetz der Thermo-Viskoplastizität entwickelt, um die faserverstärkten Einzelschichten abzubilden. Zur experimentellen Identifizierung und Kalibrierung der Modelle über die gesamte Temperatur- und Kristallinitätsspanne werden neue experimentelle Methoden entwickelt. Letztere dienen insbesondere zur Untersuchung des Materialverhaltens bei niedrigen Kristallinitätsgraden und Temperaturen oberhalb des Glasübergangs.