DLR Produktionstechnik Prozesssimulation

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1 4. DLR-FA Wissenschaftstag Produktionstechnik für f r den CFK-Rumpf DLR Produktionstechnik Prozesssimulation Dr.-Ing. Jan Teßmer Braunschweig Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 4. DLR-FA Wissenschaftstag: Produktionstechnik für f r den CFK-Rumpf Überblick Motivation Spring-In Mikrowellenaushärtung Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 57

2 Motivation Größenordnung der Probleme Zulässige Lasten σ Ω r = 1µm 0.1m R = 0.1m 5m R = 0.1m 5m Courtesy: EADS-IW G Courtesy: AIRBUS Courtesy: AIRBUS Herstellung Assembly Test / In-Service Zeit Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 58 Motivation Prozessschritte und Entwicklung Simulationsreife Zukünftige Vorhaben Mikrowelle dielektrische Erwärmung Aushärtung Exothermie, Aushärtegrad, Matrixschrumpf Mikro Gegenstand der Forschung Spring-In Eigenspannungen, Verformungen Assembly Zwängungen in Einbaulage Makro SoA Structural In-Service Behaviour Betriebslasten Prozesskette von Aushärtung bis In-service Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 59

3 Spring-In: Generelle Vorgehensweise Ermittlung der Schrumpfparameter mittels FEM, basierend auf Tests Ermittlung des Spring-In an einer generischen Spantstruktur Experimentelle Bestimmung des Spring-In an L-Profil mit unterschiedlichen Prozesszyklen Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 60 Spring-In: Materialparameter und Validierung Ermittlung modifizierter Wärmeausdehnungskoeffizienten einer UD-Einzelschicht 1. α F =const, α M anpassen α M = α MT + α MC 2. Berechnen der homogenisierten Laminateigenschaften mit ESAComp Abgleich mit experimentell bestimmten Spring-In Winkel durch Variation von α MC =V s /3ΔT 4. Validierungsrechnungen für unterschiedliche Faser-Volumen-Gehalte und Modellierungen Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 61

4 Spring-In: FEM Analyse eines Z-Profils 2D Simulation - Sehr gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Werten an vergleichbarer Struktur - Berechnung der Eigenspannungen frei und in Einbaulage keine Berücksichtigung lokaler Spring-In Effekte 2D / 3D Simulation Berücksichtigung des lokalen Spring-In 2D / 3D Simulation Berücksichtigung von Nachbearbeitung und Einbauzwängungen Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 62 Motivation Derzeitige Prozessierung Nach Herstellerangaben Empirische Prozess-Steuerung Probleme Eigenspannungen Verformungen Ziel: Simulation zur Optimierung der CFK- Prozessierung Kollegium FA (Faserverbundtechnologie und Strukturmechanik) Garteur AG33: RTM-Material Properties during Curing Vorgehen Recherche zum Stand der Forschung Phänomen und Modellbildung Kennwertermittlung Experimentelle Validierung und Modellmodifikation Specifications Model Manufacturing of Test Specimen Experimental Validation Parameter Measurement Implementation and Numerical Analysis Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 63

5 Gelzeitmessung im Rheometer Kennwertermittlungen, RTM6 Gelzeiten t gel Massennormierter Wärmefluss [mw/mg] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Glasübergangstemperaturen T g Reaktionsenthalpien H Aushärtegrade c Reaktionsenthalpien unterschiedlich stark vernetzter Harze (DSC-Messung) Unvernetzt Vorvernetzt -0, Temperatur [ C] T c T ggel T g0, H 0 T g H gel, c gel Time-Temperature-Transition-Diagramm zur vollständigen Harzcharakterisierung t gel (T c ) Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 64 Modellentwicklung und Simulation Glasübergangstemperatur (DiBenedetto): T_g [ C] ( g g0 ) T T λ c Tg = Tg0 +, λ = 0,2 1 1 c ( λ ) T_g [ C] Messung 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 c [-] Implementierung des Aushärtegrads (Autokatalytisches Modell nach Kamal- Sourour): dc * * m n ( k1 k2 c ) ( 1 c) dt = + Numerische Prozessoptimierung Simulation des Aushärteprozesses: Exothermic Heat Thermal Stress Input Thermal Analysis Within Range? T Process Curing Coefficient Chemical Stress Yes No Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 65

6 Mikrowellenaushärtung Herausforderungen an die Simulation Mikrowellenfeldberechnung (Experimentelle Validierung des Mikrowellenfeldes) (Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften) Simulation der dielektrischen Erwärmung (Experimentelle Validierung der dielektrischen Erwärmung) Kopplung mit Numerische Optimierung zur gezielten Ansteuerung der Magnetrons und Modenrührer Modenrührer Magnetron Bauteil Mikrowellenfeld Mit Modenrührer Ohne Modenrührer (M. Buryan, Bergakademie Freiberg) Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 66 Thank you for your Attention! Kontakt: Telefon: Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 67