Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers

Entwicklungsansätze für den systemeffizienten Leichtbau vereinen Werkstoff-, Prozess- und Methodenverständnis. Dies gilt im Besonderen für endlosfaserverstärkte Kunststoffe (FVK), die hohe gewichtsspezifische Materialeigenschaften bieten und lastpfadoptimierte Konstruktionen ermöglichen. Diese Dissertation widmet sich dem Verständnis und der Modellierung der Nasspresstechnologie, um die Groß-serienproduktion von endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen zu unterstützen. Nasspressen kombiniert gleichzeitiges Drapieren und Infiltrieren während der Verarbeitung, was vergleichsweise geringe Werkzeuginnendrücke (< 20 bar) und Zykluszeiten (< 3 min) ermöglicht. Der erste Teil dieser Arbeit (siehe Kapitel 2) fokussiert sich auf eine systematische Analyse der relevanten, physikalischen Prozessmechanismen. Versuche mit einem transparenten Werkzeug ermöglichen eine in-situ-Visualisierung des Fließfrontverlaufs während der Formgebung. Die Versuche verdeutlichen die starke Wechselwirkung zwischen Drapierung und Infiltration während der Verarbeitung. Diese Wechselwirkung wird durch herkömmliche, sequenzielle Modellierungsansätze nicht erfasst. Der zweite Teil (siehe Kapitel 3) widmet sich der Bewertung des Einflusses der niedrigviskosen Infiltration auf relevante Deformationsmechanismen. Hierzu werden neuartige und modifizierte Prüfstände verwendet, um das trockene und infiltrierte Membran-, Biege-, Kompaktierungs- und Kontaktverhalten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Infiltration mit einer niedrigviskosen Matrix die Reibung zwischen und innerhalb der Rovings signifikant verringert, was direkt auch die Scherfestigkeit, Biegesteifigkeit und tangentiale Kontaktspannungen reduziert. Die verbesserte Drapierbarkeit ermöglicht komplexere Bauteilgeometrien. Jedoch induziert die Infiltration auch eine Ratenabhängigkeit, die die Umformbarkeit des Textiles bei höheren Viskositäten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten gleichermaßen verschlechtern kann. Die Relevanz dieser experimentellen Erkenntnisse für die Prozessmodellierung werden anhand von Modellen bewertet und abschließend an einem komplexen Demonstrator validiert. Simulationen zeigen, die Infiltration sollte bei der Beschreibung des Membran- und Biegeverhaltens berücksichtigt werden. Die Kompaktierung ist zudem für eine genaue Vorhersage des lokalen Faservolumengehalts entscheidend. Demgegenüber ist eine herkömmliche Kontaktmodellierung zwischen Halbzeug und Werkzeug ausreichend, da nur relativ geringe Spannungen auftreten. Im dritten Teil dieser Arbeit (vgl. Kapitel 4) wird ein monolithischer Simulationsansatz für die kombinierte Textilumformung und Harzinfiltration entwickelt, der auf der Äquivalenz des Fourierschen Gesetzes für die Wärmeleitung und des Richardschen Gesetzes für die Durchströmung eines porösen Mediums beruht. Das Prozessmodell basiert auf überlagerten finiten Elementen zur Beschreibung der Einzelschicht. Die Verwendung von Kontinuumsschalen ermöglicht eine Berücksichtigung der Kompaktierung während der Umformung. Ein entwickeltes Fluid-Element (User-Element) beschreibt die dreidimensionale Harzausbreitung unter Berücksichtigung des aktuellen Verformungszustandes und der Faserorientierung. Auf diese Weise wird eine vollständig gekoppelte Analyse in \textsc{Abaqus} für eine gemeinsame explizit formulierte Lösung von Verformungs- und Druckfeld genutzt. Der experimentelle Vergleich zeigt eine gute Vorhersagegüte. Die inhärente Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) im Nasspressen kann zu unerwünschten Prozessdefekten wie strömungsinduzierter Faserverschiebung (eng: FiFD) führen. Dies kann negative Auswirkungen auf Infiltration und strukturellen Eigenschaften des fertigen Bauteils haben. Im letzten Kapitel der Arbeit wird die numerische Vorhersage von FiFD untersucht (siehe Kapitel 5). Zu diesem Zweck wird ein beidseitige FSI implementiert und validiert. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigt eine gute Vorhersagegüte von FiFD während der viskosen Kompaktierung. Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstützen eine frühzeitige zeit- und kosteneffiziente Prozess- und Produktgestaltung. Die Ergebnisse verdeutlichen die Anwendbarkeit und Validität der entwickelten Methoden. Sie zeigen aber gleichermaßen wichtige Forschungs- und Implementierungsfelder wie Wärmetransport und Aushärtung auf

Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers

Interdisciplinary development approaches for system-efficient lightweight design unite a comprehensive understanding of materials, processes and methods. This applies particularly to continuous fibre-reinforced plastics (CoFRPs), which offer high weight-specific material properties and enable load path-optimised designs. This thesis is dedicated to understanding and modelling Wet Compression Moulding (WCM) to facilitate large-volume production of CoFRP structural components

Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers

Interdisciplinary development approaches for system-efficient lightweight design unite a comprehensive understanding of materials, processes and methods. This applies particularly to continuous fibre-reinforced plastics (CoFRPs), which offer high weight-specific material properties and enable load path-optimised designs. This thesis is dedicated to understanding and modelling Wet Compression Moulding (WCM) to facilitate large-volume production of CoFRP structural components

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

Into the Debt Quagmire : How Defaulters cope with Severe Debt Problems

The overall ambition of this study is to provide a better understanding of how people cope with severe debt problems and why defaulters sometimes act in financially unwise ways. The empirical results suggest that coping behaviour is based on a social rather than an economic orientation. In particular, the analysis shows that the process typically has three stages. During the first, financial problems accumulate without being recognised as hazardous. At ‘stage two’ the full threat is realised, and a combat against downward social mobility is launched. At ‘stage three’ the downfall is a fact and the defaulters turn to safeguarding new but unwanted lifestyles. Even though access to resources in a broad sense has decisive impacts on the end result of such processes, informants with working class and middle class backgrounds alike suffer substantial material and status losses. The most severe downfalls are found among those who prior to ‘stage one’ had climbed from working class to middle class positions. ‘Stage three’ is qualitatively different from the two previous phases. From now on, the re-payment norm is replaced by a new moral code that permits the defaulters to leave their debts unattended. Hence, the debt loads continue to increase at the same time as the defaulters ap-pear increasingly difficult to deal with from a creditor’s point of view. The analysis strongly suggests that society has everything to gain from preventing ‘stage three’ from developing. This calls for a functional money collection system and easy access to economic counselling. The study is based on twenty interviews with people with severe debt problems. Built on Habermas’ distinction between the ‘system world’ and ‘life world’, the analysis takes as its point of departure that any economic actor — including defaulters — aim at transforming economic resources into coveted social statuses by complying with class- and status-specific constraints known in classic sociology as ‘standard packages’. Whenever debt problems oc-cur, standard package orientations translate into a principle of avoiding social downfalls. As the defaulters’ lifestyles increasingly lack financial foundation, the continuous compliance with such constraints leads to irrational behaviour from an economic point of view

A 2D modeling approach for fluid propagation during FE-forming simulation of continuously reinforced composites in wet compression moulding

Wet compression moulding (WCM) provides large-scale production potential for continuously fiber reinforced components as a promising alternative to resin transfer moulding (RTM). Lower cycle times are possible due to parallelization of the process steps draping, infiltration and curing during moulding (viscous draping). Experimental and theoretical investigations indicate a strong mutual dependency between the physical mechanisms, which occur during draping and mould filling (fluid-structure-interaction). Thus, key process parameters, like fiber orientation, fiber volume fraction, cavity pressure and the amount and viscosity of the resin are physically coupled. To enable time and cost efficient product and process development throughout all design stages, accurate process simulation tools are desirable. Separated draping and mould filling simulation models, as appropriate for the sequential RTM-process, cannot be applied for the WCM process due to the above outlined physical couplings. Within this study, a two-dimensional Darcy-Propagation-Element (DPE-2D) based on a finite element formulation with additional control volumes (FE/CV) is presented, verified and applied to forming simulation of a generic geometry, as a first step towards a fluid-structure-interaction model taking into account simultaneous resin infiltration and draping. The model is implemented in the commercial FE-Solver Abaqus by means of several user subroutines considering simultaneous draping and 2D-infiltration mechanisms. Darcy’s equation is solved with respect to a local fiber orientation. Furthermore, the material model can access the local fluid domain properties to update the mechanical forming material parameter, which enables further investigations on the coupled physical mechanisms