Nachhaltige Faserverbundwerkstoffe, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

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Bei Verbundwerkstoffen haben flachsfaserverstärkte Kunststoffe aufgrund ihrer aussergewöhnlichen dichtespezifischen mechanischen Eigenschaften, ihrer Nachhaltigkeit und ihrer vielseitigen Gestaltungsmöglichkeiten grosse Aufmerksamkeit erlangt. Diese Werkstoffe sind vielversprechend für Anwendungen in der Automobilindustrie, insbesondere in Innenraumkomponenten. Bei der Verarbeitung von flachsfaserverstärkten Kunststoffen zu komplexen Geometrien können jedoch Probleme wie Falten, Wölbungen und Faserfehlausrichtungen, die als Drapierbarkeitsdefekte bezeichnet werden, auftreten. Je nach Grösse und Häufigkeit können diese Defekte zur Ablehnung des gesamten Bauteils führen. Im Gegensatz zu endlosfaserverstärkten Textilien bestehen Halbzeuge auf Flachsbasis aus diskontinuierlichen Stapelfasern, die typischerweise zwischen 5 und 80 mm lang sind. Der Schlupf zwischen diesen Fasern entlang ihrer Länge beeinträchtigt die Drapierbarkeit dieser Textilien erheblich.

In diesem von der Innosuisse unterstützten Förderprojekt untersuchen wir verschiedene Textilprodukte von BCOMP auf ihre Drapierbarkeit. Darüber hinaus setzen wir Simulationsmethoden ein, die auf kinematischen und numerischen Modellen basieren, um Verformungen und mögliche Drapierbarkeitsfehler vorherzusagen.

Einer der primären Drapierungsmodi, die in Betracht gezogen werden, ist die Scherung. Der maximale Scherwinkel ist die kritische Schwelle für den Beginn der Faltenbildung. Die kinematische Simulation verwendet einen rein geometrischen Algorithmus zur Berechnung dieses Schubwinkels, berücksichtigt jedoch keine Materialparameter wie Biegung und Schubsteifigkeit. Der Vorteil dieser Simulation liegt in ihrer Schnelligkeit und Einfachheit.

Auf der anderen Seite bieten numerische Finite-Elemente-Simulationen, die auf impliziten Methoden wie Aniform oder expliziten Methoden wie LS-Dyna und Pam-Form basieren, einen umfassenderen, aber rechenintensiven Ansatz, der textilspezifische Eingabeparameter erfordert.

In dieser Studie wurde die Schubsteifigkeit ausgewählter textiler Halbzeuge mit Hilfe eines Bias-Extension-Tests, eines Picture-Frame-Scherrahmentests und einer Biegesteifigkeitsmessung bestimmt. Der Picture-Frame-Shear-Frame-Test ist vorteilhaft, da er nahezu gleichmässige Scherwinkel über das Textil gewährleistet und eine einfache Messung mit optischen Methoden ermöglicht. Wenn Textilmaterialien jedoch in einem Winkel eingespannt werden, kann eine lokale Spannung die Ergebnisse beeinträchtigen. Der Bias-Extension-Test hingegen eliminiert Spannungen in Faserrichtung und bietet einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau.

Durch den Vergleich der verschiedenen in der Abbildung gezeigten Textilien auf Flachsbasis, die sich in Webmuster, Garndichte und Färbung unterscheiden, liefert der Bias-Extension-Test genauere Ergebnisse, da er Spannungen in Faserrichtung eliminiert, die sonst die Ergebnisse verzerren könnten. Die Leinwandbindung weist die höchste Schersteifigkeit unter diesen Textilien auf, während die 4x4-Köperbindung die geringste aufweist. Dies wird auf die Anzahl der Verbindungsstellen in den Textilien zurückgeführt, wobei mehr Verbindungsstellen zu einer höheren Schersteifigkeit führen. Bemerkenswert ist, dass die Ergebnisse der Scherrahmentests für diese Textilien ein anderes Verhalten als für endlosfaserbasierte Textilien aufweisen.

Die Drapierbarkeit von Textilien hängt massgeblich vom Verhältnis zwischen Schub- und Biegesteifigkeit ab. Beide Verformungsmechanismen sind erforderlich, um eine doppelt gekrümmte Geometrie zu drapieren. Diese Studie zielt darauf ab, das optimale Verhältnis zu identifizieren, das Drapierungsdefekte wie Falten und Wölbungen reduziert. Drei Testgeometrien – eine Halbkugel, eine Doppelkuppel und ein Tetraeder – wurden experimentell und durch kinematische (Ansys) und numerische (Aniform) Simulationen analysiert.

Die kinematische Simulation kann Scherwinkel berechnen und aussagekräftige Ergebnisse unter bestimmten Bedingungen liefern, z. B. wenn der Drapierungsprozess von einem klar definierten Keimpunkt aus beginnt. Wenn das Drapieren von einer Linie aus beginnt, wie im Fall der Doppelkuppel, liefert die kinematische Simulation nur dann aussagekräftige Werte, wenn die textile Richtung parallel zu dieser Startlinie (Saatlinie) verläuft. Der grosse Vorteil der kinematischen Simulation ist die sehr schnelle Rechenzeit, die typischerweise zwischen 10 und 60 Sekunden liegt. Wenn es sich um komplexe Geometrien handelt, empfiehlt es sich, eine numerische Simulation durchzuführen, die verschiedene Drapierungsphänomene und Defekte visualisieren kann. Textilspezifische Eingangsparameter, einschliesslich der Schubsteifigkeit und der Biegesteifigkeit, sind jedoch für numerische Simulationen unerlässlich.

Um die Simulationen zu validieren, wurden Experimente durchgeführt und Scherwinkel und Drapierbarkeitsphänomene verglichen.

Es wurde beobachtet, dass das 4x4-Köpergewebe die beste Drapierbarkeit für die Hemisphären- und Doppelkuppelgeometrien aufwies, ohne Falten oder Wölbungen. Bei der tetraedrischen Geometrie, die sich durch flache Oberflächen auszeichnet, führte die geringe Biegesteifigkeit des 4x4-Textils jedoch zu grösseren Wölbungen im Vergleich zu den 2x2-Twill-Textilien. Darüber hinaus verrutschten einige Rovings an der Spitze des Tetraeders im Vergleich zu den 2x2-Köpertextilien, die mehr Verbindungspunkte haben, wodurch die Wölbung minimiert und eine Fehlausrichtung der Fasern verhindert wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass weniger Verbindungspunkte für eine doppelt gekrümmte Oberfläche optimal zu sein scheinen, während für den Einsatz auf ebenen Oberflächen ein höheres Risiko für grössere Wölbungen besteht.

Die numerische Simulation kann Scherwinkel und Drapierbarkeitsfehler für verschiedene Geometrien und Textilrichtungen vorhersagen, während die kinematische Simulation in dieser Hinsicht aufgrund ihres Algorithmus und der Vernachlässigung textiler Eigenschaften eingeschränkt ist.