Manufacture Future Structural Parts (MANIFEST)

Motivation und Ziele

Ziel dieses Projekts mit unseren Partnern war die Entwicklung eines Vorderwagens in einer hybriden Fertigungstechnologie, die Vorteile des Fließpressens von SMC mit der strukturellen Leistungsfähigkeit von kontinuierlichen Kohlenstofffaserverstärkungen kombiniert. So können optimal platzierte kontinuierliche Kohlenstoffasern die notwendige Steifigkeit gewährleisten, während die Fertigungskosten durch die Herstellung im hybriden Fließpressprozess und damit verbundene Reduktion von Fügeoperationen geringgehalten werden. Das Modell kann in Figure 1 betrachtet werden.

Durch die Möglichkeit beim SMC-Prozess von Funktionsintegrationen konnten der Vorderachsträger simulativ in zwei Schalenkomponenten vereint werden. Als eingesetztes SMC wurde eine Formulierung eines umweltfreundlichen styrolfreien Vinylesterharzes entwickelt.

Die Fertigung von Werkzeugen für die beiden SMC Schalen stellt eine erhebliche Investition dar. Aus diesem Grund wurde entschieden, zunächst die Simulationsmethoden, das neue Harzsystem und die Anbindung des SMCs an metallischen Inserts in einem kleineren Validierungsbauteil zu qualifizieren, siehe Figure 2.

Wissenschaftliche Methoden

Schnelle Approximationsmethode

Im Konzeptionierungsprozess hat es sich als zu zeitaufwändig herausgestellt, bei jeder Iteration eine volle Prozesssimulation inklusive der gesamten Gestaltung der anfänglichen SMC Auslage durchzuführen. Daher wurde als Ergänzung zur hochgenauen Simulationsmethode eine schnelle geometrische Approximationsmethode entwickelt, die Faserorientierungsverteilungen aus den geometrischen Merkmalen des Bauteils berechnet. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die langen SMC Faserbündel in der Regel in ihrer Lage vor allem durch geometrische Restriktionen beschränkt sind, weshalb die senkrechte Komponente in flachen Bauteilbereichen sehr gering ausfällt.

Erweiterungen der direkten Bündelsimulationsmethode für Kohlenstofffasern

In der am KIT-FAST entwickelten direkten Bündelsimulationsmethode (Meyer et al .2020, Meyer et al. 2021, Meyer 2022) werden einzelne Faserbündel während des SMC Formfüllprozesses simuliert. Diese neuartige Simulationsmethode erlaubt eine sehr detaillierte Vorhersage von prozessinduzierten Effekten, wie z.B. Faser-Matrix Separation und anisotropem Fließverhalten. Die bisherige Methode basierte auf Glasfasern und akademischen Anwendungsfällen. Im Rahmen dieses Projekts wurde sie für die Nutzung in komplexeren Bauteilen und für Kohlenstoffasern erweitert.

In Kohlenstoffaser SMCs (CF-SMCs) liegen in der Regel deutlich größere und breitere Faserbündel vor. Um eine Approximation dieser Faserkonfiguration zu erreichen, wurde der Bündelgenerator um die Möglichkeit erweitert, Sub-Bündel parallel zueinander zu platzieren. Figure 3 stellt das Ergebnis einer solchen Bündelkonfiguration dar, in der Farben zur Unterscheidung einzelner Bündelrichtungen eingeführt wurden.

Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts

Bücheler et al. 2021a: D. Bücheler, N. Meyer, P. Griesbaum, F. Henning: Next Level of Carbon Fiber Sheet Molding Compound, SAMPE Korea Forum, Seoul, Korea, 29.09.2021.

Bücheler et al. 2021b: D. Bücheler, N. Meyer, P. Griesbaum, F. Henning: Pushing Structural Sheet Molding Compound Forward, SPE Automotive Composites Conference & Exhibition, Novi. Michigan, USA, 7.-9.9.2021.

Meyer et al. 2020: N. Meyer, L. Schöttl, L. Bretz, A.N. Hrymak, L. Kärger: Direct Bundle Simulation approach for the compression molding process of Sheet Molding Compound, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 132, 2020, 105809.

Meyer et al. 2021: N. Meyer, A.N. Hrymak, L. Kärger: Modeling Short-Range Interactions in Concentrated Newtonian Fiber Bundle Suspensions, International Polymer Processing, Volume 36, 2021, 255-263.

Meyer 2022: N. Meyer: Mesoscale simulation of the mold filling process of Sheet Molding Compound, Dissertation, KIT Scientific Publishing, 2022.

Meyer 2022:  Nils Meyer, Sergej Ilinzeer, Andrew N. Hrymak, Frank Henning, Luise Kärger: Non-isothermal direct bundle simulation of SMC compression molding with a non-Newtonian compressible matrix, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Volume 310, 2022, 104940