Simulation von Klebverbünden in der Skiproduktion

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1 Simulation von Klebverbünden in der Skiproduktion Forschung & Entwicklung CC Mechanische Systeme David Schiffmann Assistent T direkt david.schiffmann@hslu.ch Horw Master Projekt

2 Numerische Simulation an der Hochschule Luzern T&A Simulations-Schwerpunkte in zwei Kompetenzzentren CC Mechanische Systeme FEM Prof. Ralf Baumann CC Fluidmechanik und Hydromaschinen CFD Prof. Dr. Ernesto Casartelli 2,

3 KTI Projekt «Optimierte Skipresse» Inhalt KTI Projekt Der gesamte Produktionsprozess der Skiherstellung soll analysiert und auf Optimierungspotenziale untersucht werden. Ziel ist es Reproduzierbarkeit, Konstanz und Flexibilität auf höchstem Qualitätsniveau zu garantieren. 3,

4 4,

5 5,

6 Ski Eigenschaften Materialparameter Geometrie, Steifigkeit, Temperaturabhängigkeit, Feuchtigkeitsabhängigkeit Umweltparameter Temperatur, Feuchtigkeit und Schwankungen davon Prozessparameter Schwankungen der Eingangsgrössen, Manuelle Bearbeitung, Pressbetteinstellungen, Presszeit, Presstemperatur, Heiz- und Kühlrate Qualitätsparameter Form, Steifigkeit, Festigkeit, Optik 6,

7 Masterprojekt: Simulation des kompletten Pressvorgangs Ziel: - Validiertes FE-Modell eines verpressten Skis. - Verformung und Steifigkeit im Modell abgebildet. Führt zu: Innovation in der Skientwicklung mit weniger Versuchen Kostenersparnis - Sehr grosse Anzahl an Parametern können variiert werden - Auswertung von quantitativen und qualitativen Ergebnissen - Bessere Reproduzierbarkeit und Qualität Entwicklungserfolg = 10(00) Simulationen + 1 Versuch 7,

8 Wesentliche Aspekte der Modellierung thermischtransiente Simulation Kontaktmodellierung Kleber Materialien 8,

9 «Entwicklung und Validierung eines Klebe-Kontaktmodells» Skiaufbau = Mehrschichtaufbau ~ Composite Kleber ist von zentraler Bedeutung für - Steifigkeits- und - Festigkeitseigenschaften Zeit & Ort der Verfestigung variieren! 9,

10 «Entwicklung und Validierung eines Klebe-Kontaktmodells» Stöckli Kleber ist nicht reines Epoxid-Harz, sondern eine Kombination aus - phenolbasichem Harz (Duroplast) - Polyvinylformalpulver (Thermoplast) Wie modellieren? 10,

11 Anforderungen an die Aushärte-Simulation der Klebschicht chemischer Schrumpf thermische Dehnung Enthalpie Temperatur Elastizitäts und Schubmodul vernachlässigbar vernachlässigbar vernachlässigbar vernachlässigbar ausschlaggebend -> spezifisch für Ski Anwendung 12,

12 Verfestigungsgrad [-] Klassische Kinetik-Mechanik Modelle 1 Verfestigungsgrad p 0-1 Schubmodul G(p) Zeit [min] 13,

13 Temperatur [ C] Schubmodul [MPa] Schubmodulverlauf -> G(Temperatur, Zeit, Klebschichtdicke, ) Temperatur Schubmodul Zeit [min] 14,

14 Temperatur [ C] Schubmodul [MPa] Schubmodulverlauf -> G(Temperatur, Zeit, Klebschichtdicke, ) Temperatur Schubmodul Zeit [min] 15,

15 Schubmodul FKT Kontaktmodell Verbundkontakt APDL real constant FKT: %table% mit FKT(Temperatur,Zeit,Klebschichtdicke, ) 16,

16 Modellierung der wichtigsten Lasten/Randbedingungen thermisch-transient statisch-mechanisch Temperaturlast Druck Verschiebung Reibungsbehafteter Kontakt Pressplatten - Substrate Temperatur Druck Temperatur Vertikalverschiebung blockiert Verschiebung Zeit Zeit 17,

17 Parameteridentifikation mittels Versuchen DOE Messung Verformung Steifigkeit DOE Auswertung FE- Kontakt Modellierung rheometrische Messung 48 Versuche Bimetalle FE Parameteridentifikation FKT(Temperatur, Zeit, Dicke, ) 18,

18 - Bild bimetalle 19,

19 FE Ergebnis Bimetalle (Verschiebung vertikal) 20,

20 Durchbiegung [mm] Resultate Verformung Bimetalle 25 Versuche 20 Simulation _6_50 120_14_50 135_6_50 135_14_50 120_6_ _14_ _6_ _14_150 Verbund 21,

21 Temperatur [ C] Temperaturunterschiede dominieren im Ski Symmetrischer Aufbau T O Zeit und Ort der Temperatur variieren 140 T U TO TU Zeit [Min] T O T U T O 22, T U

22 Validierung mittels Versuchen mit Mehrschichtverbünden FE Parameteridentifikation FKT(Temperatur, Zeit, Dicke, ) 8 Versuche Mehrschichtverbünde FE-Modellierung Mehrschicht-verbünde Messung Verformung Steifigkeit Validierung FE-Modell 23,

23 24,

24 FE Ergebnis Mehrschichtverbünde (Verschiebung vertikal) 25,

25 Durchbiegung [mm] Resultate Verformung Klebeverbünde Versuche Simulation PC 1mm PC 8mm PC 1mm modif Gummi 1mm Verbund 26,

26 Kernaussage Input Output Form Steifigkeit Klebereigenschaften Produktionsparameter Materialeigenschaften 27,

27 Ausblick Masterarbeit im Herbst 2016 Simulation kompletter Ski mit Klebekontaktmodell Herausforderung: Materialien Holzkern GFK Holzkombination, Holzfeuchte orthotrope Steifigkeitseigenschaften 28,

28 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Forschung & Entwicklung CC Mechanische Systeme David Schiffmann Assistent T direkt david.schiffmann@hslu.ch Horw Master Projekt