Horw

Forschung & Entwicklung CC Mechanische Systeme

David Schiffmann Assistent

T direkt +41 41 349 32 84 david.schiffmann@hslu.ch

15.06.2016

Simulation von Klebverbünden in der

Skiproduktion

Master Projekt

Folie

Numerische Simulation an der Hochschule Luzern T&A

CC Mechanische Systeme FEM Prof. Ralf Baumann

2, 15.06.2016

Simulations-Schwerpunkte in zwei Kompetenzzentren

CC Fluidmechanik und Hydromaschinen CFD

Prof. Dr. Ernesto Casartelli

Folie

KTI Projekt «Optimierte Skipresse»

Inhalt KTI Projekt Der gesamte Produktionsprozess der Skiherstellung soll analysiert und auf Optimierungspotenziale untersucht werden. Ziel ist es Reproduzierbarkeit, Konstanz und Flexibilität auf höchstem Qualitätsniveau zu garantieren.

3, 15.06.2016

Folie 4, 15.06.2016

Folie

5, 15.06.2016

Folie

Ski Eigenschaften

Materialparameter Geometrie, Steifigkeit, Temperaturabhängigkeit, Feuchtigkeitsabhängigkeit … Umweltparameter Temperatur, Feuchtigkeit und Schwankungen davon … Prozessparameter Schwankungen der Eingangsgrössen, Manuelle Bearbeitung, Pressbetteinstellungen, Presszeit, Presstemperatur, Heiz- und Kühlrate … Qualitätsparameter Form, Steifigkeit, Festigkeit, Optik …

6, 15.06.2016

Folie

Masterprojekt: Simulation des kompletten Pressvorgangs

Ziel: - Validiertes FE-Modell eines verpressten Skis. - Verformung und Steifigkeit im Modell abgebildet.

Führt zu: Innovation in der Skientwicklung mit weniger Versuchen Kostenersparnis - Sehr grosse Anzahl an Parametern können variiert werden

- Auswertung von quantitativen und qualitativen Ergebnissen

- Bessere Reproduzierbarkeit und Qualität Entwicklungserfolg = 10(00) Simulationen + 1 Versuch

7, 15.06.2016

Folie

Wesentliche Aspekte der Modellierung

8, 15.06.2016

thermisch- transiente Simulation

Kontakt-modellierung

Kleber

Materialien

Folie

«Entwicklung und Validierung eines Klebe-Kontaktmodells»

9, 15.06.2016

Skiaufbau = Mehrschichtaufbau ~ Composite

Kleber ist von zentraler Bedeutung für - Steifigkeits- und

- Festigkeitseigenschaften

Zeit & Ort der Verfestigung variieren!

Folie

«Entwicklung und Validierung eines Klebe-Kontaktmodells»

Stöckli Kleber ist nicht reines Epoxid-Harz, sondern eine Kombination aus - phenolbasichem Harz (Duroplast) - Polyvinylformalpulver (Thermoplast) Wie modellieren?

10, 15.06.2016

Folie

Anforderungen an die Aushärte-Simulation der Klebschicht

12, 15.06.2016

chemischer Schrumpf vernachlässigbar thermische Dehnung vernachlässigbar Enthalpie vernachlässigbar Temperatur vernachlässigbar Elastizitäts – und Schubmodul ausschlaggebend -> spezifisch für Ski Anwendung

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Klassische Kinetik-Mechanik Modelle

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0

1

0 5 10 15 20 25 30

Ver

fest

igu

ngs

grad

[-]

Zeit [min]

Verfestigungsgrad p 0-1 Schubmodul G(p)

Folie

Schubmodulverlauf -> G(Temperatur, Zeit, Klebschichtdicke, …)

14, 15.06.2016

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30

Sch

ub

mo

du

l [M

Pa]

Tem

per

atu

r [°

C]

Zeit [min]

Temperatur

Schubmodul

Folie

Schubmodulverlauf -> G(Temperatur, Zeit, Klebschichtdicke, …)

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0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30

Sch

ub

mo

du

l [M

Pa]

Tem

per

atu

r [°

C]

Zeit [min]

Temperatur

Schubmodul

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Schubmodul – FKT Kontaktmodell

Verbundkontakt APDL real constant FKT: %table% mit FKT(Temperatur,Zeit,Klebschichtdicke,…)

16, 15.06.2016

Folie

Modellierung der wichtigsten Lasten/Randbedingungen

17, 15.06.2016

Reibungsbehafteter Kontakt Pressplatten - Substrate

Druck

Temperatur- last

Temperatur

Zeit

Temperatur

Zeit

Druck

Verschiebung

thermisch-transient statisch-mechanisch

Vertikalverschie-bung blockiert

Verschiebung

Folie

Parameteridentifikation mittels Versuchen DOE

18, 15.06.2016

Messung Verformung Steifigkeit

FE-Kontakt Model-lierung

DOE Auswer-

tung

FE Parameteridentifikation

FKT(Temperatur, Zeit, Dicke, …)

rheometrische Messung

48 Versuche Bimetalle

Folie

- Bild bimetalle

19, 15.06.2016

Folie

FE Ergebnis Bimetalle (Verschiebung vertikal)

20, 15.06.2016

Folie

Resultate Verformung Bimetalle

21, 15.06.2016

0

5

10

15

20

25

120_6_50 120_14_50 135_6_50 135_14_50 120_6_150 120_14_150 135_6_150 135_14_150

Du

rch

bie

gun

g [m

m]

Verbund

Versuche

Simulation

Folie

Temperaturunterschiede dominieren im Ski

22, 15.06.2016

Symmetrischer Aufbau Zeit und Ort der Temperatur variieren

TO

TU

TO

TU

TO

TU

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25

Tem

per

atu

r [°

C]

Zeit [Min]

TO

TU

Folie

Validierung mittels Versuchen mit Mehrschichtverbünden

23, 15.06.2016

FE Parameteridentifikation

FKT(Temperatur, Zeit, Dicke, …)

FE-Modellierung Mehrschicht-verbünde

Validierung FE-Modell

Messung Verformung Steifigkeit

8 Versuche Mehrschicht-

verbünde

Folie 24, 15.06.2016

Folie

FE Ergebnis Mehrschichtverbünde (Verschiebung vertikal)

25, 15.06.2016

Folie

Resultate Verformung Klebeverbünde

26, 15.06.2016

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

PC 1mm PC 8mm PC 1mm modif Gummi 1mm

Du

rch

bie

gun

g [m

m]

Verbund

Versuche

Simulation

Folie

Output Input

Kernaussage

27, 15.06.2016

Kleber-eigenschaften

Produktions-parameter

Material-eigenschaften

Form

Steifigkeit

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Ausblick

Masterarbeit im Herbst 2016

Simulation kompletter Ski mit Klebekontaktmodell

Herausforderung: Materialien Holzkombination, Holzfeuchte orthotrope Steifigkeitseigenschaften

28, 15.06.2016

Holzkern GFK

Horw

Forschung & Entwicklung CC Mechanische Systeme

David Schiffmann Assistent

T direkt +41 41 349 32 84 david.schiffmann@hslu.ch

15.06.2016

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Master Projekt