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Prozesssimulation am ITV – Möglichkeiten für Faserverbundstrukturen
Hermann Finckh, Hansjürgen Horter, Prof. Dr. H. Planck
Bereich Automatisierung/Simulation
Leiter: Hansjürgen Horter
Fachkongress Composite Simulation 23. Februar 2012 Musikhalle Ludwigsburg
© DITF/ITVZentralbereiche
Gliederung
1. Einleitunge
2. Ziele FE-Simulationen am ITV
3. Problematik und Relevanz der Eigenschaftsberechnung von Textilien/Halbzeuge
4. Mikro-, Meso und Makromodelle für textile Flächen
5. Generierung von Simulationsmodellen zur Prozesssimulation
6. Beispiele zur Prozesssimulation
7. Laufende Projekte zur Prozesssimulation
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1. Einleitung Herstellungsprozesse im Faserverbundbereich
Die Herstellung von Faserverbundbauteilen aus Endlosfasern erfordert eine Vielzahl von Fertigungsschritten:
� Filamentherstellung (CFK, GFK, Feinheit, Filamentquerschnitt …)
� Roving-Herstellung (Ausrüstung mit Schlichte, Wickelvorgänge, Hybridrovingz.B. aus PA/Glasfasern, Gleitfaserrovings).
� Halbzeugherstellung (Konventionelles Weben, Multiaxialwirken, Vernähen, Flechten, Legen, Sticken TFP, nicht konventionelle Webtechniken wie Drehergewebe, Stickwebtechnik Open Read Weaving.
� Handling/Drapierung/Umformung der Halbzeuge.
� Infiltration und Aushärtung von Harzen.
� Aufschmelzung und Nachverformung von Faserverbundbauteilen aus Hybridrovings mit thermoplastischen Faseranteilen.
� Kleben, Verbindungstechnik …
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1. EinleitungTextile Halbzeugfertigung
� Zur Herstellung textiler Flächen/Halbzeuge gibt es zahlreiche Fertigungsmethoden (Weben, Stricken, Wirken, Flechten, ...).
� Jeder dieser Prozesse besitzt wiederum zahlreiche Möglichkeiten/Parameter zur Gestaltung/Ausführung des Strukturaufbaus.
� Langwierige und kostspielige Trial-and-Error-Methode.
� Im Faserverbundbereich kommen schwerpunktmäßig die Fertigungsverfahren Weben, Flechten und Legen zum Einsatz.
� Die hochfesten Verstärkungsfasern im Halbzeug sollten möglichst gering auf Biegung beansprucht werden. Dies schränkt die zahlreichen textilen Herstellungsverfahren und -variationen ein.
� Industriell eingesetzte Halbzeuge werden z.Z. mit weitestgehend konstanten Prozessparametern gefertigt.
� Spezielle Anforderungen an das Faserverbundbauteil wie Funktionsintegration/hohe Drapierbarkeit/Automatisierbarkeit der Prozesse werden zukünftig zur Anwendung/Entwicklung innovativer textiler Fertigungsverfahren führen.
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1. EinleitungVorteile der Prozesssimulation
� Systematische Analyse von Randbedingungen und Materialeigenschaften.
� Gezielte Untersuchung einzelner Parameter.
� Besseres Verständnis phänomenologischer Zusammenhänge.
� Eignung/Grenzen des virtuelles Halbzeugs kann bzgl. seines Einsatzes analysiert werden, ohne dass zuvor teurere und extrem zeitaufwendige Halbzeuge hergestellt werden müssen.
� Gezielte Halbzeugauswahl entsprechend spezifischer Bauteilanforderungen.
� Mehr Funktionalität erreichbar z.B. höhere Drapierbarkeit.
� Schnellere Produktentwicklung/Optimierung.
� Anstatt teure Gesamtbauteilprüfungen günstige Einzelprobenprüfung.
� Integration in der Fertigung zur Simulation einer durchgängigen Prozesskette
� …
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Drapieren eines Aramidgewebes
Simulation der Maschenbildung Simulation von Multiaxialwirken
2. FE-Simulationen am ITV
� Garne
� Webware
� Maschenware
� Geflechte
� Faserverbund
� Impakt
Simulation von Flechtprozessen
Drapieren einer eingespannten Maschenware
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2. FE-Simulationen am ITV - Schwerpunkte
Simulation der Eigenschaften/Fertigung textiler Flächen bzw. Faserhalbzeuge:
� Berechnung mechanischen Eigenschaften von Textilien (Verformung und Belastung) für unterschiedlichste Belastungsarten (Zug, Scherung, Impact, Drapierung, Temperatur ...)
� Untersuchung phänomenologischer Vorgänge und Funktionsmechanismen als Grundlage für die Entwicklung neuer verbesserter Produkte und Verfahren.
� Simulation textiler Herstellungsprozesse - Virtual Prototyping: Gewebeherstellung (Leinwand-, Köperbindung, Drehergewebe… ), Flechten, Multiaxialgewirke, Wickeln, Drapieren …
� Einsatz der entwickelten FE-Mikromodellierung für Faserverbundberechnungen.
� Neue Forschungsschwerpunkte: Einsatz der Computertomographie zur Simulationsmodellgewinnung und Verifikation, Strömungssimulationen
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2. FE-Simulationen am ITV
Ausrüstung/Erfahrungen/aktuelle Projekte:
� Einsatz des expliziten FE-Programms LS-DYNA auf Hochleistungsrechner ( ergänzt durch Hyperworks, ANSYS, Animator, WiseTex, …)
� Umfangreiche spezielle Prüftechnik für Roving- und Halbzeuge (Hochgeschwindigkeitszugprüfungen mittels Rotationsprüfstand, Reibungs-, Biegungs-, Torsions-, Kompressions-, Scher-, Drapierprüfungen, bald auch Biaxialprüfungen)
� Aktuell laufende Projekte zu Prozesssimulationen: BMBF Projekt TPult, Baden-Württemberg Projekt TC², AiF ZIM-RTM und Forschungscampus Stuttgart (beantragt)
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3. Problematik und Relevanz der Eigenschaftsberechnung von Textilien/Halbzeuge
� Textilien besitzen generell ein hochgradig nichtlineares Materialverhalten, das aus den Garneigenschaften und dem komplexen Strukturaufbau resultiert.
� Im Faserverbund-Bereich werden Textilien/textile Flächen als Halbzeuge/Verstärkungsstrukturen und die Garne als Rovings bezeichnet.
� Die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils resultieren aus dem Halbzeug- und dem Harz, in das das Halbzeug eingebettet ist.
� Dabei sind folgende Faktoren von Bedeutung: der Faser/Matrix-Haftung, der Faserdichten, der Faserorientierung und der Fertigungsqualität (z.B. Lunker, trockene Stellen, Bereiche stark variierende bzw. geringe Faserdichte …).
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3. Problematik und Relevanz der Eigenschaftsberechnung von Textilien/Halbzeuge
� Zur Herstellung komplex geformter Faserverbundbauteile, müssen die Halbzeuge entsprechend umgeformt bzw. drapiert werden.
� Daraus resultieren jedoch in der Regel starke reibungsbehaftete Faserverlagerungen, Faserwinkel- und Faserdichteänderungen und schlimmstenfalls Faltenbildung.
� Faserdichte- und Faserorientierungsänderungen führen zu Eigenschaftsänderungen zu lokal unterschiedlichen Durchströmungswiderstände beim Halbzeug (beeinflusst Harz-Infiltrierbarkeit, trockene Stellen, Harznester .. ).
� Mechanisches Verformungsverhalten (insbesondere Scherung) und Prozesse der Drapierung/Umformung der Halbzeuge zur Endkontur sind von zentraler Bedeutung für die Fertigung und die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteiles.
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4. FE-Simulation mit Makromodellen
� Material wird nur als zweidimensionales Kontinuum abgebildet� Eingeschränkte Berechnung des Kraft/Dehnungs-Verhalten bei 3D-Belastung� Eingeschränkte Berechnung des Drapierverhaltens von textilen Flächengebilden
mit Simulationsmodellen aus FE-Flächenelementen
⇒ aufwendige experimentelle Kennwertermittlungen am Endprodukt erforderlich⇒ Simulationsmodelle sind immer speziell dem eingesetzten Material und der
Belastungssituation angepasst.
Simulation der biaxialen Zugbelastung (z.B. Airbaggewebe)
Simulation des Verformungsverhalten mittels Makromodelle:
Mikromodell: Einzelfilamente Mesomodell: Fäden/Roving Makromodell: textile Fläche (Flächenelemente, anisotropes Materialverhalten
nur über Materialbeschreibung, freie Modellierung)
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4. FE-Simulation mit Makromodellen
� die lokalen, reibungsbehafteten Faden/Faden-Verlagerungsvorgänge während der Belastung bzw.
� die Änderung der Fadendichte
� die Änderung der Fadeneinbindung
� die Änderung der Faden/Faden-Orientierung
� die Dickenänderung aufgrund des Kompressionsverhalten der Garne
Diese Simulationsmodelle berücksichtigen jedoch nicht:
Solche Simulationsmodelle sind daher problematisch bei komplexen, insbesondere lokal ausgeprägten Belastungsvorgängen (z.B. Drapieren, Kantenverzug, Stich- oder Stoßbelastung)
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. Mesomodellen
Mit diesem Verfahren werden alle Fäden des Flächengebildes modelliert.
Große Fadenverschiebungen und Faden/Faden-Reibung werden hier berücksichtigt
Lösung:
� Entwicklung der ITV-Einzelfadenmodellierung (Mikro/Meso-Modellierung)� Anwendung des expliziten Finite-Elemente Programms LS-DYNA� Ausgeprägter Einsatz der Kontaktprüfung innerhalb LS-DYNA
� Optimierung der Kontakt-, Modell und Berechnungsparameter� Entwicklung von Fadenmodelle für die verschiedenen Garne/Rovings, da
diese eine zentrale Rolle bei der Prozesssimulation besitzen.
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenGarn-/Rovingeigenschaften
Die wichtigsten Garneigenschaften, die im hohen Maße das mechanische Verhalten der textilen Flächengebilde bestimmen, sind:
� Kraft/Dehnungs-Verhalten� Garnkompression� Reibung� Biegesteifigkeit und � Torsionssteifigkeit
Die Garneigenschaften werden bestimmt durch:� Garnstruktur� Garnmaterial� Feinheit� Klima� Belastungsgeschwindigkeit
Stapelfasergarne (z.B. Gleitfasergarne im FV)
Kammgarn
Multifilamentgarn(z.B. Roving im FV)
Zwirn
Monofilament
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenGarn-/Rovingeigenschaften
Im Faserverbundbereich eingesetzten Rovings:
� Multifilamentgarne mit sehr geringer bzw. keiner Drehung.
� Extrem hohe Filamentanzahl (z.B. 50000).
� Filamente besitzen nur wenige µm Durchmesser.
� Rovings sind zur weiteren Verarbeitung mit einer Schlichte ausgerüstet.
� Rovings haben im Vergleich zu textilen Garnen einen rechteckigen Querschnitt.
� Neue Rovingentwicklungen sind der Einsatz von Gleitfasern (analog der Stapelfasergarn-Technologie) und Hybridrovings, die aus verschiedenen Fasermaterialien hergestellt werden.
Analog „klassischer“ textiler Garne hängen die Rovingeigenschaften von denselben Parametern ab. Aufgrund der extrem hohen Filamentanzahl/Feinheit haben die Parameter jedoch eine andere Gewichtung für das mechanische Verhalten im Halbzeug.
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenGarn-/Rovingeigenschaften
0 80 160 240 320 400
Kompressionskraft in cN
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Pla
ttena
bsta
nd in
µm
0 80 160 240 320 400
Kompressionskraft in cN
300
400
500
600
700
800
900
Pla
ttena
bsta
nd in
µm
Rovingdicke µm in Abhängigkeit von der Kompressionskraft
Biaxial-Carbon-Gelegekomprimiert mit 4 N
50 K Carbon-Rovingkomprimiert mit 4 N
ITV Kompressionsmikroskop
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenMikromodell für Multifilamentgarne
� Filamentanzahl� Garndrehung� Materialdaten� Elementdimension
Simulation der Zugbelastung für Multifilamentgarne mit Drehung
Mikromodell:
Das der Realität entsprechende Fadenmodell besitzt die Filamentanzahl des Garns/Roving. Dies ist wegen dem extremen Berechnungsaufwand nicht möglich.
Das Fadenmodell erfordert daher eine Idealisierung bzgl.:
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenMikromodell für Multifilamentgarne
Verifikation des Kraft/Dehnungsverhaltens des ITV-Einzelfilament Garnmodells durch Vergleich des gemessenen mit dem berechneten Kraft/Dehnungs-Verhalten für ein 115 tex-PES-Multifilament
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Dehnung in %
Zug
kraf
t in
N
Gemessenes Kraft/Dehnungs-Diagramm
Garnmodell mit 17 Filamenten, keine Garndrehung
Garnmodell mit 17 Filamenten, Garndrehung 100, µ = 0
Garnmodell mit 17 Filamenten, Garndrehung 100, µ = 0,2
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenMikromodell für Multifilamentgarne
Simulation der Drehungsgebung (115tex-PES-Multifilament)
Simulation der Kompressionsprüfung (115tex-PES-Multifilament)
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenMikromodell für Multifilamentgarne
Verifikation des Garnmodells durch den Vergleich des gemessenen und berechneten Kompressionsverhaltens für ein 115tex-PES-Multifilament (100 Filamente)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
100 150 200 250 300 350 400
distance of plates in µm
com
pres
sion
forc
e in
cN
measured yarn compression, tensile load F=40 cN
single-filament yarn model, tensile load F=51 c N
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
100 150 200 250 300 350 400
distance of plates in µm
com
pres
sion
forc
e in
cN
measured yarn compression, tensile load F=720 cN
single-filament yarn model, tensile load F=720 cN
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenAllgemein anwendbares Fadenmodell
Vorteile:� viele Parameter zur Festlegung des Garneigenschaften� einsetzbar für verschiedene Garnarten� das Garnmodell verhält sich stabil (selten Modellversagen) � der Berechnungsaufwand ist erheblich geringer im Vergleich zum ITV -
Einzelfilamentmodell
Nachteile:� viele Parameter zur Festlegung des Garneigenschaften� Weniger genau als das ITV-Einzelfilamentmodell
ITV-Hybrid-(Meso)Fadenmodell
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenAllgemein anwendbares Fadenmodell
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
elongation in %
tens
ile fo
rce
in N
measured force/elongation-diagram
tensile load of the thread casting and axis
tensile load of the thread axis
tensile load of the thread casing
Kraft/Dehnungs-Diagramm des 115 tex-PES-Multifilament (100 Filamente): Beispiel der Belastungsverteilung zwischen Fadenhülle und Fadenachse
Simulation der Zugprüfung
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4. FE-Simulation mit Mikro- bzw. MesomodellenAllgemein anwendbares Fadenmodell
Simulation des Umschlingungsvorgangs zwischen einem 68 tex PES-Monofilament (∅ 0,25 mm) und einem 115tex-PES-Multifilament (100 Filamente)
Ausgangssituation
max. Belastung
Entlastung
Modellversagen Umschlingung
Simulation der Garnkompression bei gleichzeitiger Zugbelastung
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5. Möglichkeiten der Generierung von Modellen zur Prozesssimulation (z.B. Drapieren)
� analytische und geometrische Beziehungen (z.B. mittels CAD-Funktionen)� Einsatz spezieller Software z.B. WiseTex (K.U. Leuven)� Modellableitung auf Basis von CT-Analysen von Halbzeugen� Herstellungssimulation
Kettfadenmodell mit 1 Balkenelement Kettfadenmodell mit je 3 Balkenelemente
Gewebemodelle durch einfache geometrische Beziehungen generiert
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5. Möglichkeiten der Generierung von Modellen zur Prozesssimulation: WiseTex, K.U. Leuven
Generierung eines Gewebemodels mit WiseTex
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5. Möglichkeiten der Generierung von Modelle zur Prozesssimulation – entwickelte ITV Programme
Erstellung von Textilmodellen (Urzellen) durch Prog rammierung
Textil-geometrie
APDL / PERL / etc. FE-Code
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5. Möglichkeiten der Generierung von Modelle zur Prozesssimulation – mit Hilfe der CT-Technologie
CT-Aufnahme
FE-Urzelle FE-Textilmodell
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierung einer Maschenware
FE-Berechnungsbeispiel:� Drapiersimulation von einer Maschenware (Piqué) mittels einer Kugel (15 mm Ø) � Experimentelle Drapierprüfung mit der Kugel und der Lochplatte (30 mm Ø )� Vergleich Simulation mit der experimentellen Prüfung
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierung einer Maschenware
a) Simulation b) Experimentelle PrüfungVergleich zwischen der experimentellen und der simulierten Bezugsprüfung (30 mm Eindrücktiefe)
Alle Fadensysteme grau eingefärbt
Draufsicht Frontansicht Seitenansicht
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierung/Bezug einer Maschenware
Fadensysteme grau und orange eingefärbt
Fadensysteme rot und orange eingefärbt
Frontansicht Seitenansicht
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Wickel- und Schrumpfvorvorgänge
ITV-Spulengenerierungs-Simulation:Fadenlagen werden zunächst näherungsweise durch eine mathematische Funktion beschrieben.Bei der anschließender Schrumpfsimulation kommen Fadenlage aufeinander zu liegen und presst die Hülse zusammen
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Köper 3/1 Z Gewebe - Monofilamentgarne
Köperbindung 3/1 Z:� vorgespannte Kettfäden werden Litzen geführt (Kontaktprüfung)� Köperbindung entsteht durch die vordefinierte Litzen-Bewegung.
Kette: Monofilament ∅ 0,118 mm; Schuss: Monofilament ∅ 0,235 mm; 24,6 Kettfäden/cm, 17,4 Schussfäden/cm
240 Fäden
Unterseite (240 Kettfäden)
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Aramidgewebe aus Multifilamentgarne
Websimulation
Multifilamentgarne:
� Aramid� Feinheit 1100 dtex,� 12,25 Garne/cm.� Garn mit 17 einzelnen
Filamenten idealisiert(∅ 0,074mm)
Kettfadenspannung fehlerhaft
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Scherbelastung des berechneten Aramidgewebes
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Impactbelastung des berechneten Aramidgewebes
� Filamente weichen der Belastung aus� Lokale Fadenverschiebungen� Filamente reißen aufgrund der Zugbelastung
DITF- ITV Denkendorf
Impact Simulation
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drapierbelastung des berechneten Aramidgewebes
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6. Beispiele zur Prozesssimulation:Herstellung von ATMOFIL © Gewebe
1 mm
ATMOFIL-Effekt Garn besteht aus zwei PES Komponente n:
� schrumpfender Anteil: 45 % bei 95°C, bleibt konsta nt bis 180°C
� längender Anteil: 10 % bei 95°C bis zu 17 % bei 180° C
DSE-(differential-shrinkage-elongation) Garn
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6. Beispiele zur Prozesssimulation:Herstellung von ATMOFIL ©-Gewebe
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Drehergewebeherstellung (Markisenstoff)
Diese entwickelte Prozesssimulation stellt eine optimale Basis zur Erweiterung zur Prozesssimulation von Multiaxialweb- bzw. Stickwebtechnologie „Open Reed Weaving“ (ORW)
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Maschenbildung
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Maschenbildung: Multiaxialgewirke
� Basierend auf diese Prozesssimulation können auch ähnliche Prozesssimulationen wie die Herstellung von Multiaxialgelegen (z.B. Kettwirkmaschine) entwickelt werden.
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: „Flechten einer Kordel“
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: „Umflechten eines Stabs mit 36 Nitinolfäden“
Umflechtung eines Stabes mit 3 mm Durchmesser mit 0 ,1 mm Nitinol Draht
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: „Umflechten eines Stabs mit 36 Nitinolfäden“
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6. Beispiele zur Prozesssimulation: Umflechten eines Stabs – Umformung mittels ZugZugbelastung des zuvor berechneten Geflechts
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7. Laufende Projekte zur FE-Prozesssimulation:BMBF Projekt TPult
BMBF Projekt TPult, Laufzeit: Okt. 2011-2014„Energieeffizientes Pultrusionsverfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen mit thermoplastischer Matrix in Serienanwendungen“
Aufgaben bzgl. der FEM Simulation:
� Entwicklung der Faserverbund-Mikrostrukturcharakterisierung und Modellableitung auf Basis hochaufgelöster Computer Tomographie (CT) Daten, Entwicklung/Anpassung von Faserverbundelemente für das Mapping der extrahierten Faserinformationen (optimierte Homogenisierung).
� Flechtsimulation und Prozesssimulation zur Abschätzung des Prozesseinflusses auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils
� Simulation verschiedener Belastungsfälle und Bewertung von Simulationsergebnissen mittels CT-Analysen realer Probekörper
AP Simulation/FEM
MTC und Hamburg
CT-Aufnahme, Faserextraktion Modellgenenerierung Flechtsimulation
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.
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7. Laufende Projekte zur FE-Prozesssimulation: Technologie-Cluster Composites Baden-Württemberg TC²
Projekt TC², Laufzeit: 10/2011-10/2013 Teilprojekt RTM CAE/CAx - Aufbau einer durchgängigen CAE/CAx-Kette für das RTM-Verfahren vor dem Hintergrund der Herstellung von Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen.(Eine Initiative des KIT und wird durch Mittel der Baden-Württemberg Stiftung GmbH gefördert)
ITV Aufgaben bzgl. der FEM Simulation:� Modellierung und Beschreibung des Drapierverhaltens textiler Verstärkungsstrukturen (Teilprojekt mit IFB Stuttgart)
Komplex gestaltete Sattelform mit hohen Drapieranforderungen
Erste Simulationsergebnisse
der Drapierung mit UD-Gewebe
Entwickeltes ITV Hybridmodel für ein UD-Gelege durch Kombination unterschiedlicher Elementarten (Balken/Flächenelemente) und Kontaktprüfung. Jeder einzelne Roving ist mit einer Serie zusammenhängender Flächenelemente modelliert (Mesomodell).
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Hermann FinckhTel.: (0711) 9340-401E-Mail: [email protected]
Hansjürgen HorterTel.: (0711) 9340-279E-Mail: [email protected]
Die vorgestellten Ergebnisse entstanden im Wesentlichen in mehreren DFG, AiF- und EU- Vorhaben.