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

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

Air plethysmography

Hintergrund: Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die im deutschsprachigen Raum nicht gebräuchliche Methode der Luftplethysmographie vorzustellen und auf ihren Stellenwert in Bezug zur Diagnostik der Chronisch Venösen Insuffizienz hin zu beleuchten. Patienten und Methoden: Es wurden insgesamt 90 Probandinnen und Probanden untersucht, hiervon waren 50 Venengesunde, 20 Sportler und weitere 20 Patienten mit klinischen Zeichen einer Chronisch Venösen Insuffizienz. Als Parameter für die Beurteilung der venösen Funktion am Unterschenkel dienten die Abflussfraktion (OF), der Venöse Füllungsindex (VFI), die Ejektionsfraktion (EF) und die Restvolumenfraktion (RVF). Ergebnisse: Die Abflussfraktion (OF) bietet keine signifikanten Unterscheidungen hinsichtlich Abflussbehinderungen, eine Thrombosediagnostik ist nicht möglich. Der Venöse Füllungsindex (VFI) bietet die Möglichkeit, zwischen gesund und pathologisch zu unterscheiden, aber nicht die der Stadieneinteilung. Die Ejektionsfraktion (EF) hat unserer Ansicht nach präventiven Charakter, der Grenzwert sollte bei 40% gesetzt werden. Die Restvolumenfraktion bietet signifikante Aussagen, aber auch hier ist eine Stadieneinteilung nur begrenzt möglich. Schlussfolgerungen: Die Luftplethysmographie stellt neben Doppler/Duplex einen weiteren Baustein in der nicht-invasiven phlebologischen Basisdiagnostik dar. Als sinnvoll sehen wir die Bestimmung des Venösen Füllungsindex und vor allem der Restvolumenfraktion an; mit Einschränkung die Ejektionsfraktion. Eine Stadieneinteilung der Chronisch Venösen Insuffizienz mittels der o.g. Parameter scheint jedoch nicht eindeutig möglich. In der Thrombosediagnostik stellt die Luftplethysmographie kein geeignetes Diagnostikum dar. In der Patientenmotivation zur Durchführung einer Kompressionsbehandlung ist die Luftplethysmographie sicher als wertvoll anzusehen. Besonders im Bereich des Unterschenkels bietet die Luftplethysmographie quantitative Messwerte. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber einer rein qualitativen Messung in den anderen plethysmographischen Verfahren dar.Background: Aim of the investigation was to introduce the method of air plethysmography, which is actually not in use in diagnostic investigation in Germany. An especial interest was the relevance in the medical diagnosis and staging of the chronic venous insufficiency (CVI). Patients and Methods: We investigated 50 healthy with no clinical signs of CVI, 20 sportsmen and 20 patients (n=90). As parameters the outflow fraction (OF), venous filling index (VFI), ejection fraction (EF) and the residual volume fraction (RVF) were used. Results: the outflow fraction (OF) does not make a significant difference between healthy and ill, also the diagnosis of a thrombosis seems to be not possible with this parameter. The venous filling index (VFI) seems to be valuable for the discrimination between healthy and ill, the ejection fraction (EF) is only valuable for preventive investigations. Residual volume fraction (RVF) allows significant statements, but a staging of CVI is possible with restrictions only. Conclusions: Air plethysmography is good for non-invasive basic medical diagnosis of the CVI. Venous filling index (VFI) and -with restrictions- ejection fraction (EF) are useful parameters to look for a chronic venous insufficiency, the best one to investigate venous function of the lower limb is residual volume fraction (RVF). But a staging of the venous insufficiency seems not to be possible with these parameters. Quantitative assessment is an advantage of the air plethysmography

Adaptive Fahrhinweise für ein längsdynamisches Fahrerassistenzsystem zur Steigerung der Energieeffizienz

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Fahrhinweise entwickelt, die den Fahrer dabei unterstützen sollen, seine Fahraufgabe möglichst energieeffizient zu meistern. Bei den Fahrhinweisen handelt es sich um ein Fahrerassistenzsystem. Die Fahrhinweise wurden implementiert und in einer Probandenstudie auf ihrer Wirkungsweise überprüft

Rheological Study of Gelation and Crosslinking in Chemical Modified Polyamide 12 Using a Multiwave Technique

When processing particular polymers, it may be necessary to increase the molecular weight, for example, during polymer recycling or foaming. Chemical additives such as chain extenders (CE) are often used to build up the molecular weight during reactive extrusion. One issue of chain extenders, however, is that they can cause gelation or crosslinking of the polymer during processes with long residence times. This can lead to strong process fluctuations, undesired process shutdowns due to uncontrollable torque and pressure fluctuations and finally consistent material quality cannot be guaranteed. To measure and understand the reactivity between the polymer and the CE a rheological test can help. However, the standard gel point evaluation used for thermosets by examining the point of intersection of storage- and loss modules is not suitable, as this method is frequency-dependent. This study uses a multiwave rheology test to identify the gel-point more reliably. Both evaluation methods were compared on a polyamide 12 system, which is modified with an industrially relevant chain extender. The results show that the multiwave test can be applied on a chemical modified thermoplastic system and that the material system indicates a general tendency to crosslink. The frequency-independent gel-point evaluation shows that the gel-point itself is dependent on the processing temperature. Finally, it was possible to detect undesired side reactions, which are not recognizable with the standard testing method. Both findings are directly relevant for the reactive extrusion process and help to understand the mechanism of gelation

Systematic approach for the development of an FE-based process simulation framework for wet compression moulding of continuously reinforced composites

Wet compression moulding (WCM) provides large-scale production potential for continuously fibre reinforced structural components as a promising alternative to resin transfer moulding (RTM). Lower cycle times are enabled by parallelisation of the key process steps draping, infiltration and curing during moulding, which is called viscous draping. Experimental and theoretical investigations prove strong mutual dependencies between the physical mechanisms, especially between the resin (fluid) and the stacked laminate [1-4]. To enable a time and cost efficient product and process development throughout all design stages, accurate process simulation tools are desirable. Hitherto, a lack of systematic investigation and understanding of these mutual dependencies prevent further development of suitable numerical methods. Existing sequential draping and mould filling simulations models that are suitable for the RTM process cannot be directly applied to the WCM process, due to the above outlined physical couplings [5]. Numerical approaches published within the field of liquid composite moulding (LCM) [6] or vacuum assisted processes [7] already contain fluid-structure-interaction approaches. However, they cannot be applied either, since they cannot account for desired forming behaviour (large deformations, large contact area and boundary condition), which is necessary for WCM process

Potential and challenges of a solid-shell element for the macroscopic forming simulation of engineering textiles

Finite element (FE) forming simulation offers the possibility of a detailed analysis of the deformation behaviour of engineering textiles during forming processes, to predict possible manufacturing effects such as wrinkling or local changes in fibre volume content. The majority of macroscopic simulations are based on conventional two-dimensional shell elements with large aspect ratios to model the membrane and bending behaviour of thin fabrics efficiently. However, a three-dimensional element approach is necessary to account for stresses and strains in thickness direction accurately, which is required for processes with a significant influence of the fabric’s compaction behaviour, e.g. wet compression moulding. Conventional linear 3D-solid elements that would be commercially available for this purpose are rarely suitable for high aspect ratio forming simulations. They are often subjected to several locking phenomena under bending deformation, which leads to a strong dependence of the element formulation on the forming behaviour [1]. Therefore, in the present work a 3D hexahedral solid-shell element, based on the initial work of Schwarze and Reese [2,3], which has shown promising results for the forming of thin isotropic materials [1], is extended for highly anisotropic materials. The advantages of a locking-free element formulation are shown through a comparison to commercially available solid and shell elements in forming simulations of a generic geometry. Additionally, first ideas for an approach of a membrane-bending-decoupling based on a Taylor approximation of the strain are discussed, which is necessary for an accurate description of the deformation behaviour of thin fabrics

Reduced-Integrated 8-Node Hexahedral Solid-Shell Element for the Macroscopic Forming Simulation of Continuous Fibre-Reinforced Polymers

Finite element (FE) forming simulation offers the possibility of a detailed analysis of the deformation behaviour of continuously fibre-reinforced FFinite element (FE) forming simulation offers the possibility of a detailed analysis of the deformation behaviour of continuously fibre-reinforced olymers (CFRPs) during forming, in order to predict possible manufacturing effects such as wrinkling or local changes in fibre volume content. ppolymers (CFRPs) during forming, in order to predict possible manufacturing effects such as wrinkling or local changes in fibre volume content. he majority of macroscopic simulations are based on conventional two-dimensional shell elements with large aspect ratios to model the TThe majority of macroscopic simulations are based on conventional two-dimensional shell elements with large aspect ratios to model the membrane and bending behaviour of thin fibrous reinforcements efficiently. However, without a three-dimensional element approach, stresses membrane and bending behaviour of thin fibrous reinforcements efficiently. However, without a three-dimensional element approach, stresses nd strains in thickness direction cannot be modelled accurately. Commercially available linear 3D solid elements for this purpose are rarely aand strains in thickness direction cannot be modelled accurately. Commercially available linear 3D solid elements for this purpose are rarely suitable for forming simulations since they are subjected to several locking phenomena under bending deformation, especially with large aspect suitable for forming simulations since they are subjected to several locking phenomena under bending deformation, especially with large aspect ratios. To alleviate this problem, so-called solid-shell elements based on the assumed natural strain (ANS) and enhanced assumed strain (EAS) ratios. To alleviate this problem, so-called solid-shell elements based on the assumed natural strain (ANS) and enhanced assumed strain (EAS) method can be used. Therefore, a locking-free explicit reduced-integrated 8-node-hexahedron solid-shell element, based on the initial work of method can be used. Therefore, a locking-free explicit reduced-integrated 8-node-hexahedron solid-shell element, based on the initial work of Schwarze and Reese (2011), is implemented in the commercially available FE solver Abaqus. Its suitability for macroscopic modelling of the Schwarze and Reese (2011), is implemented in the commercially available FE solver Abaqus. Its suitability for macroscopic modelling of the forming behaviour of fibrous reinforcements is outlined in this work. The presented element combines the advantages of a locking-free out-of- forming behaviour of fibrous reinforcements is outlined in this work. The presented element combines the advantages of a locking-free out-ofplane deformation behaviour of conventional thin shell elements with the advantage of maintaining a fully three-dimensional material model and plane deformation behaviour of conventional thin shell elements with the advantage of maintaining a fully three-dimensional material model and geometry description