Prediction of forming effects in UD-NCF by macroscopic forming simulation – Capabilities and limitations

Unidirectional non-crimp fabrics (UD-NCF) provide the highest lightweight potential among dry textile materials. Compared to multiaxial NCF, the fabric layers in UD-NCF enable a more targeted tailoring. Compared to woven fabrics, the fibres of UD-NCF are straight without weakening undulations. However, the formability of UD-NCF is more challenging compared to woven fabrics. The yarns are bonded by a stitching and the deformation behaviour highly depends on this stitching and on the slippage between the stitching and the fibre yarns. Moreover, distinct local draping effects occur, like gapping and fibre waviness, which can have a considerable impact on the mechanical performance. Such local effects are particularly challenging or even impossible to be predicted by macroscopic forming simulation. The present work applies a previously published macroscopic UD-NCF modelling approach to perform numerical forming analyses and evaluate the prediction accuracy of forming effects. In addition to fibre orientations and shear angles, as investigated in previous work, the present work also provides indication for fibre area ratios, gapping, transverse compaction and fibre waviness. Moreover, the prediction accuracy is validated by comparison with experimental tests, where full-field strains of inner plies are captured by prior application of dots onto the fibre yarns, by measuring them via radiography and applying a photogrammetry software. The modelling approach provides good prediction accuracy for fibre orientations, shear strains and fibre area ratio. Conversely, normal fibre strains, indicating fibre waviness, and transverse strains, indicating gapping, show some deviations due to the multiscale nature of UD-NCF that cannot be captured entirely on macroscopic scale

Characterising the shear resistance of a unidirectional non‑crimp glass fabric using modified picture frame and uniaxial bias extension test methods

The forming behaviour of a unidirectional non-crimp fabric (UD-NCF) consisting of polyamide stitches with a tricot-chain stitching pattern is explored. Notably, there are no stabilising tows orientated transverse to the main tow direction in this fabric, a common feature in many ‘quasi’ UD-NCFs, this allows extension of the stitch in the transverse direction under certain loading conditions. The lack of stabilising tows introduces a possible low-energy deformation mode to the UD-NCF, which is absent in biaxial fabrics and to a large extent in ‘quasi’ UD-NCFs. The in-plane shear behaviour is initially investigated using both standard ‘tightly-clamped’ picture frame tests and uniaxial bias extension tests. Preliminary results show a dramatic difference in results produced by the two test methods. During the picture frame test, fibres can be subjected to unintended tension due to sample misalignment in the picture frame rig. To mitigate error arising from this effect, the picture frame test procedure is modified in two different ways: by using an intentional pre-displacement of the picture frame rig, and by changing the clamping condition of test specimen. Results show that the modified picture frame test data contain less error than the standard ‘tightly-clamped’ test but also that the shear stiffness of the UD-NCF is notably lower when measured in the bias extension test compared to the picture frame test, mainly due to the difference in loading conditions imposed during the two tests

Charakterisierung und Simulation der Formfüllung beim Resin Transfer Molding unter Berücksichtigung der lokalen Faserstruktur

Das Resin Transfer Molding (RTM) ist ein Fertigungsverfahren für CFK-Bauteile. Die Dissertation beschäftigt sich mit der Simulation und Charakterisierung des RTM-Formfüllvorgangs. Für die Simulation werden neue Methoden zur Berücksichtigung der lokalen Faserstruktur und zur Modellierung von Lufteinschlüssen untersucht. Zudem werden prozessnahe Messverfahren zur Bestimmung der Permeabilität des Faserhalbzeuges und zur Charakterisierung des Viskositätsverlaufs der Matrix entwickelt

Characterizing the deformation response of a unidirectional non-crimp fabric for the development of computational draping simulation models

In several countries around the world, including Canada, government incentives have been put in place to improve the fuel efficiency of vehicles and reduce CO2 emissions. Improvements in composites manufacturing technology, such as high-pressure resin transfer molding and quick curing resins, makes it practical to lightweight through the incorporation of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) parts into the body-in-white structure of vehicles. However, the technology has only been realized for small production rates and is currently in the developmental phase towards full automation for high-volume production. Hence, there is a need to developed and calibrate fabric draping simulations models to support this effort and enable the design of CFRP production processes that incorporate cost-effective fabric reinforcement material, such as heavy tow unidirectional non-crimp fabric (UD-NCF). This work aimed to expand the understanding of the forming behaviour of UD-NCFs, within the context of the development of automation capabilities for fabric preforming. The investigation focused on the characterization of the macroscale response of a UD-NCF, including an investigating of associated local deformation mechanisms, to calibrate a macroscale constitutive model and support the development of a computational fabric draping simulation model. The fabric characterization consisted of a series of experimental tests that measured the fabric in-plane and out-of-plane deformation responses reminiscent of draping operations. The tests were conducted with respect to the carbon fiber (CF) tow longitudinal and transverse directions. The experimental tests conducted were the longitudinal, transverse, and off-axis extension tests; the picture frame test (PFT); the cantilever; and friction sliding test in both material directions. The longitudinal extension and bending stiffness were found to be significantly higher than the respective transverse extension and bending stiffnesses. Also, at low strains, the fabric transverse extension stiffness was found to be negligible until crimping in the transverse glass fibers was removed. Regarding the fabric friction response, the coefficients of friction were higher on the stitching fabric side and when sliding occurred in the longitudinal fabric direction. Also, an investigation of the fabric mesoscale deformation mechanisms revealed the generation of CF tow undulations and intertow gapping, mainly generated by deformation of the stitching, when the fabric was subjected to transverse extension and shear deformations. To address difficulties associated with sliding of the glass fibers at the clamps during extension and PFT testing a clamping design was proposed that fully restrained the glass fibers, while at the same time preventing specimen damage at the grips. 2D DIC was used to study the development of strains in the fabric during all in-plane experimental tests. Challenges associated with fabric surface texturization and strain measurements through digital image correlation were investigated and addressed to improve the optical strain analysis. A surface texturization technique with an oil-based paint was implemented in all tests as it created high contrast speckle patterns on the fabric surface and the least amount of fabric deformation interference when compared with two other surface texturization techniques. Using the experimental results, a macroscale material model, chosen from the existing material model library available in the commercial finite element software LS-DYNA® was calibrated to simulate forming operations. The material model was calibrated for in-plane and out-of-plane deformation modes in accordance with the experimental tests conducted. The material model parameters were identified by simulating the experimental tests conducted during the fabric characterization process and an iterative inverse parameter identification approach until a good correlation was obtained between the numerical simulations and the corresponding physical tests. In most cases, piecewise linear functions were used to approximate the experimental test data before entering into the material model. Finally, to validate the calibration of the material model, a single-layer 100-mm diameter hemispherical test with a displacement controlled punch was performed and simulated using the calibrated material model. In addition to the calibrated material model, results from the friction tests were used to define contact boundary conditions in the draping simulation model. A good agreement was obtained between the simulation predictions of macroscopic deformations observed in the fabric, including contour shape and wrinkling, and the experimental results

Simulation of the thermoforming process of UD fiber-reinforced thermoplastic tape laminates

Einer der entscheidendsten Prozessschritte bei der Herstellung von kontinuierlich faserverstärkten Kunstoffen ist die Umformung von zweidimensionalen Halbzeugen in komplexe Geometrien. Hierbei spielt das nicht-isotherme Stempelumformverfahren von unidirektional (UD) faserverstärkten thermoplastischen Tape-Laminaten aufgrund geringer Zykluszeiten, Materialeffizienz und Recyclingfähigkeit insbesondere in der Automobilindustrie eine immer größer werdende Rolle. Durch die Umformsimulation kann die Herstellbarkeit einer bestimmten Geometrie virtuell abgesichert und hierfür notwendige Prozessparameter bestimmt werden, wodurch eine zeit- und kostenintensive "Trial and Error" Prozessauslegung vermieden werden kann. In dieser Arbeit werden initial anhand einer experimentellen Umformstudie und Materialcharakterisierungen die Anforderungen an die Umformsimulation von teilkristallinen thermoplastischen UD-Tapes abgeleitet. Hierbei zeigt sich, dass ein thermomechanischer Ansatz, unter Berücksichtigung der raten- und temperaturabhängigen Materialeigenschaften, als auch der Kristallisationskinetik, erstrebenswert ist. Darauf aufbauend wird mit der kommerziellen Finite Elemente (FE) Software Abaqus, in Kombination mit mehreren sogenannten User-Subroutinen, ein entsprechender Simulationsansatz entwickelt. Zunächst werden hypo- und hyperelastischen Materialmodellierungsansätze untersucht, sowie ratenabhängige intra-ply Materialmodellierungsansätze vorgestellt. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf dem ratenabhängigen Biegeverhalten, da diese Materialeigenschaft üblicherweise nicht berücksichtigt wird, weshalb hierfür hypoviskoelastische Modellierungsansätze auf Basis eines nichtlinearen Voigt-Kelvin- sowie eines nichtlinearen generalisierten Maxwell-Ansatzes vorgestellt werden. Unter Anwendung dieser Ansätze zeigt sich im Vergleich mit experimentellen Umformergebnissen eine gute Übereinstimmung. Darüber hinaus wird ein Einfluss der ratenabhängigen Biegeeigenschaften auf die Vorhersage der Faltenbildung beobachtet. Im nächsten Schritt wird der Ansatz um eine "Discrete Kirchhoff Triangle" (DKT) Schalenformulierung erweitert, welche in Abaqus als User-Element implementiert ist. Dies ermöglicht im Gegensatz zu dem im vorherigen Kapitel vorgestellten Ansatz die hyperviskoelastische Modellierung des Membran- und des Biegeverhaltens. Darauf aufbauend werden ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-, sowie ein nichtlinearer generalisierter Maxwell-Ansatz, welcher auf einer multiplikativen Zerlegung des Deformationsgradienten basiert, vorgestellt. In der Umformsimulation zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Umformergebnissen. Darüber hinaus wird beobachtet, dass ein nichtlinearer Voigt-Kelvin-Ansatz für die Modellierung des Membranverhaltens ausreichend ist. Neben intra-ply werden auch inter-ply Modellierungsansätze untersucht. Hierfür wird ein erweiterter Ansatz vorgestellt, der neben den üblicherweise berücksichtigten Zustandsgrößen Abgleitgeschwindigkeit und Transversaldruck auch die Relativorientierung zwischen den abgleitenden Schichten berücksichtigt. Bei der Anwendung dieses Ansatzes in der Umformsimulation werden jedoch nur geringe Unterschiede gegenüber einem herkömmlichen Ansatz beobachtet. Der präsentierte Ansatz für die Umformsimulation von thermoplastischen UD-Tapes wird final zu einem gekoppelten thermomechanischen Ansatz erweitert. Die entsprechende thermische Modellierung berücksichtigt Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung, sowie die Kristallisationskinetik, wobei das mechanische Verhalten über die Temperatur und die relative Kristallinität an das thermische Verhalten gekoppelt ist. Hiermit wird der Übergang vom schmelzflüssigen zum Festkörperzustand vorhergesagt und in der Modellierung des Umformverhaltens berücksichtigt. Hierdurch wird eine verbesserte Übereinstimmung mit den experimentellen Umformergebnissen erzielt und auch die lokale Temperaturentwicklung akkurat vorhergesagt. Darüber hinaus zeigt sich, dass bei einer ungünstigen Wahl der Prozessparameter eine starke Kristallisation schon während der Umformung auftritt. Da außerdem nur der thermomechanische Ansatz den Einfluss aller relevanten Prozessparameter berücksichtigen kann, wird geschlussfolgert, dass die Berücksichtigung thermischer Effekte sowie der Kristallisationskinetik vorteilhaft für die virtuelle Prozessauslegung nicht-isothermer Stempelumformverfahren mit teilkristallinen Thermoplasten ist

Simulation of the thermoforming process of UD fiber-reinforced thermoplastic tape laminates

In this work, initially, the requirements on a simulation model of the non-isothermal stamp forming process of unidirectional fiber-reinforced, and thermoplastic tape laminates are investigated experimentally. On this basis, different isothermal as well as a fully coupled thermomechanical simulation model under consideration of the crystallization kinetics are developed. For validation, a complex shaped geometry is simulated and compared to experimental forming results

Experimentelle Untersuchung und Simulation des Umformverhaltens nähgewirkter unidirektionaler Kohlenstofffasergelege

In this work experimental tests are performed to investigate the forming behavior of unidirectional non-crimp fabrics (UD-NCFs) within the context of an automated preforming process. Based on the experimental results, a macroscopic forming simulation model for UD-NCFs is developed and model parameters are identified via the simulation of material tests. The forming simulation model is validated via hemisphere and car body part forming tests