Prozesssimulation des Thermoformens von thermoplastischen Sandwichmaterialien aus Honeycomb und Cross-Ply

Die Nachfrage nach leichten Verbundwerkstoffen steigt vor allem in der Luftfahrt, im Automobil- und im Schiffsbau enorm an. Jeder hat sich mit der CO2-Bilanz und der globalen Erwärmung befasst, die durch den hohen Kraftstoff- und Energieverbrauch verursacht werden, und sich auf spezifische, maßgeschneiderte und funktionelle Materialien verlagert. Dieser Bedarf an leichten Werkstoffen wird durch Wabenlaminate befriedigt, da sie ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkstoffen mit einem bestimmten Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit bewiesen haben. Durch die Vorteile der Thermoplaste bei der Großserienproduktion und der Verarbeitbarkeit erfüllen die Sandwich-Laminate die Anforderungen der industriellen Nutzung. Darüber hinaus können die flachen Sandwich-Halbzeuge zu komplexen Strukturen weiterverarbeitet werden, um verschiedene Teilegeometrien zu erfüllen. Dies geschieht durch ein neuartiges Thermoformverfahren, bei dem das Sandwich-Laminat auf eine Thermoformtemperatur erwärmt wird, so dass das Matrixmaterial der Deckschicht über der Schmelztemperatur und das Kernmaterial unter der Schmelztemperatur liegt, und dann zu der gewünschten Geometrie gepresst wird. Derzeit werden diese Materialien auf ihre Reproduzierbarkeit in großem Maßstab untersucht, da die derzeitigen Automatisierungs- und Digitalisierungsplattformen eine kontrollierte Erwärmung und Formung ermöglichen.

Mit Hilfe von FEM-Werkzeugen können die Herstellungsprozesse durch Änderung der Prozessparameter und der Materialkonfiguration optimiert werden. Zu diesem Zweck wird ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, das die Nichtlinearitäten von Material, Geometrie und Rändern berücksichtigt und sich auf komplexe Wabengeometrien und faserorientierte UD-Bänder im Mesomaßstab konzentriert. Das so entwickelte Modell wird für verschiedene Materialkombinationen, Geometrien und Umformbedingungen getestet. Mit diesem Ansatz kann die Wahrscheinlichkeit der Herstellbarkeit eines Bauteils durch eine bestimmte Technik untersucht werden, was Material und Zeit im Entwicklungsprozess eines neuen Bauteils spart. Die Schwierigkeiten bei der Entwicklung eines solchen komplexen Modells sind vielfältig, wie z. B. die Interaktion zwischen Kern und Deckschicht, das Verformungsverhalten der Wabenzellwände in den Schmelzzonen und die vorverformten Zellwände beim Laminieren. All diese Fälle werden in diesem aktuellen Projekt untersucht.

Process simulation of thermoforming of thermoplastic sandwich materials made of Honeycomb and Cross-Ply

The demand for light-weight composites is increasing phenomenally especially in aviation, automotive and ship building sectors. As everyone addressed carbon footprints and global warming made by high fuel and energy consumptions and shifting towards specific tailor-made functionally performing materials. This need for light-weight materials is satisfied by honeycomb sandwich laminates as they have proven their advantages over conventional materials with specific weight to strength ratios. With advantage of thermoplastics in high volume production and processability, the sandwich laminates meet the industrial usage. In addition to that the flat semi-finished sandwich laminates are further processable to complex structures to meet different part geometries, with a novel thermoforming procedure by which the sandwich laminate is heated to a thermoforming temperature such that matrix material of face sheet lies above melting temperature and core material lies below melting temperature, then pressed to form into desired geometry. Currently, these materials are investigated for reproducibility in large mass scale owing to the current automation and digitalizing platforms with controlled heating and forming.

Using FEM tools, the manufacturing processes can be optimized by changing the process parameters and material configuration. For this a finite element model is developed considering material, geometry and boundary non-linearities, focused on complex honeycomb geometry and fiber-oriented UD-tapes at meso-scale level. Such developed model is tested for different material combinations, geometries and forming conditions. By this approach the probability of manufacturability of a component through specific technique can be investigated, which saves the material and time in the process of developing a new component. The difficulties in developing such complex model are many like core-face sheet interaction, honeycomb cell walls deformation behavior in melt zones and pre-deformed cell walls during lamination. All these cases will be investigated in this current project.