Multiphysics modeling and experimental analysis of fiber-reinforced polymers across scales

Reuvers, Marie-Christine; Lion, Alexander; Reese, Stefanie

doi:10.18154/RWTH-2025-07151

Multiphysics modeling and experimental analysis of fiber-reinforced polymers across scales

Reuvers, Marie-Christine^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marie-Christine Reuvers, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Reese, Stefanie (Thesis advisor)^RWTH* ; Lion, Alexander (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-20

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07151
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017118/files/1017118.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Angewandte Mechanik (311510)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die steigende Nachfrage nach kostengünstigen, individualisierbaren und wiederverwendbaren Materialien in den Bereichen Mobilität und Verkehr sowie Konsumgüter hat zu einem zunehmenden Interesse an faserverstärkten Thermoplasten geführt. Die industrielle Verarbeitung dieser Materialien in Form von Umformprozessen wie z.B. Thermoformen ist hingegen immer noch mit kostspieligen und zeitaufwändigen Trial-and-Error-Prozessen zur Anpassung des Materialdesigns und der Prozessparameter verbunden. Oftmals kommt es dabei zu unerwünschten Verformungen oder gar Defekten in den Bauteilen aufgrund von thermischen Gradienten und Eigenspannungen im Material, die es zu beseitigen gilt. In diesem Zusammenhang können numerische Simulationswerkzeuge, wie z. B. digitale Zwillinge (d. h. die virtuelle Darstellung physischer Objekte), in der Konzeptions- und Entwicklungsphase von Produkten und Prozessen eingesetzt werden, um die Effizienz zu verbessern, Entwicklungszyklen zu verkürzen und potenzielle Fehlerquellen zu identifizieren. Insbesondere die Finite-Elemente-Methode (FEM) hat sich aufgrund der stetig wachsenden Rechenleistung moderner Computer als geeignetes Werkzeug für die Simulation komplexer technischer Probleme etabliert. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der numerischen Vorhersagen sind jedoch in hohem Maße von der Qualität des verwendeten Materialmodells abhängig. Dabei wird das Materialverhalten auf der strukturellen Ebene durch die zugrunde liegende Mikrostruktur und deren Eigenschaften bestimmt. Insbesondere faserverstärkte teilkristalline Polymere stellen aufgrund ihrer komplexen (zeitabhängigen) in elastischen Verformungen und ihrer Abhängigkeit von der Temperatur und der Temperaturhistorie eine Herausforderung dar. Folglich muss die innere Struktur von faserverstärkten Thermoplasten durch die Einbeziehung von Informationen sowie die Modellentwicklung über verschiedene Skalen hinweg berücksichtigt werden. Mehrskalige Modellierungsverfahren können an dieser Stelle wertvolle Einblicke in die konstitutive Reaktion des Materials liefern. Diese Simulationen sind jedoch im Allgemeinen sehr zeit- und rechenintensiv. Um die damit assoziierten Kosten zu senken und für industrielle Anwendungen geeignete Frameworks zu entwickeln, wurden hierarchische Ansätze entwickelt und angewandt. Das Ziel und gleichzeitig die Herausforderung besteht darin, die Rechenkosten und den experimentellen Aufwand zu verringern und gleichzeitig eine hohe Genauigkeit und Gültigkeit des Modells über ein breites Spektrum von Prozessparametern zu erhalten. Die vorliegende kumulative Dissertation umfasst eine Sammlung von Zeitschriftenartikeln, die zu den oben genannten Forschungsthemen beitragen. Sie zielt darauf ab, ein multiphysikalisches Framework für faserverstärkte teilkristalline Polymere zu entwickeln, das den Einfluss von Temperatur und Temperaturhistorie über verschiedene Skalen hinweg berücksichtigt. Angefangen mit der Motivation und den entsprechenden forschungsrelevanten Fragen, folgt ein Überblick über die aktuelle Literatur. In der ersten Veröffentlichung wird ein thermo-mechanisch gekoppeltes konstitutives Modell für teilkristalline Polyamid 6-Blends entwickelt. Auf der Grundlage eines umfangreichen experimentellen Datensatzes, der mechanische und thermische Tests umfasst, wird ein viskoelastischer, elasto-plastischer Ansatz gewählt, bei dem nichtlineare Relaxation- und Verfestigungsprozesse sowie eine Zug-Druck-Asymmetrie in der Plastifizierung berücksichtigt werden. Der Kristallinitätsgrad dient dabei als konstanter Eingangsparameter, der die Materialreaktion erheblich beeinflusst. Anschließend wird in der zweiten Veröffentlichung eine mikromechanische und mikrothermische Analyse durchgeführt, bei der das oben erwähnte Matrixmodell zusammen mit einer detaillierten experimentellen Analyse des Verhaltens des Verbundwerkstoffs bei verschiedenen Temperaturen verwendet wird. Auf diese Weise wird eine experimentelle und virtuelle Datenbasis für ein breites Spektrum von Prozessparametern geschaffen. Ziel der dritten Veröffentlichung ist es, das oben erwähnte mikromechanische Matrixmodell zu erweitern, um glasfaserverstärktes Polyamid 6 auf der Strukturebene darzustellen. Dazu wird das Modell um mechanische und thermische Anisotropie erweitert und anschließend mit der Datenbank aus der zweiten Veröffentlichung charakterisiert. Der Kristallinitätsgrad geht nun als nicht konstante interne Variable in Abhängigkeit von der Temperaturhistorie ein. Abschließend wird eine vollständige 3D-Thermoformsimulation durchgeführt. Die Gültigkeit des vorgestellten Ansatzes wird durch den Vergleich der numerischen Materialantwort mit experimentellen Daten über alle Materialebenen hinweg verifiziert.

Nowadays, the growing demand for cost-effective, customizable, and reusable materials in the domains of mobility and transport, as well as consumer goods, has led to an increased significance of fiber-reinforced thermoplastics (FRTPs). Nonetheless, the industrial processing of FRTPs in terms of (thermo-)forming processes is still associated with costly and timeconsuming trial and error processes to adjust the material design and processing parameters. Still, oftentimes, unwanted deformations or even defects in the components arise due to thermal gradients and residual stresses within the material that need to be eliminated. In this context, numerical simulation tools, such as, for example, digital twins (i.e., the virtual representation of physical objects), can be employed in the conception and development phase of products and processes to improve efficiency, shorten development cycles, and identify potential error sources. In particular, the finite element method (FEM) has established itself as a suitable tool for the simulation of complex technical problems due to steadily increasing computational resources. The accuracy and reliability of the numerical predictions are, however, highly dependent on the quality of the employed material model. Thereby, the material behavior on the structural level is determined by the underlying microstructure and its associated characteristics. Especially fiber-reinforced semi-crystalline polymers (SCPs) represent a challenging material, due to their complex (time-dependent) inelastic deformations and dependencies on both the temperature and the temperature history. Consequently, the internal structure of FRTPs must be taken into account during model development by incorporating information across various scales.Multiscale modeling schemes can provide valuable insights into the overall constitutive response of the material. However, these simulations are generally computationally expensive. In order to reduce the computational cost and develop frameworks suitable for industry applications, hierarchical approaches have been developed and applied. The objective, and simultaneously the challenge, is to reduce computational costs and experimental effort while preserving high accuracy and validity across a broad spectrum of process parameters.The given cumulative dissertation comprises a collection of journal articles that contribute to the aforementioned research topics. It aims to develop a multiphysical framework for fiberreinforced SCPs, including the impact of temperature and temperature history across various scales. Starting with the motivation and corresponding research-relevant questions, followed by an overview of the current literature.In the first paper, a thermo-mechanically coupled constitutive model is developed for semicrystalline polyamide 6 blends. Based on an extensive experimental data set, comprising mechanical and thermal tests, a visco-elastic, elasto-plastic approach is chosen in which nonlinear relaxation, strain hardening, and a tension-compression asymmetry in yielding are considered. The degree of crystallinity (DOC) serves as a constant input parameter, which significantly influences the material response.Subsequently, a micromechanical and microthermal analysis is conducted in the second paper, employing the aforementioned matrix framework accompanied by a detailed experimental analysis of the composite’s behavior at various temperatures. Thus, an experimental and virtual data base is generated for a wide range of process parameters.The third paper’s objective is to extend the aforementioned micromechanical matrix model to represent glass-fiber reinforced polyamide 6 on the macroscale. Therefore, mechanical and thermal anisotropy is incorporated into the framework and, subsequently, characterized with the data base from the second paper. The DOC is now treated as a non-constant internal variable depending on the temperature history. Finally, a full 3D thermoforming simulation isconducted. The validity of the presented approach is verified by comparison of the numerical material response with experimental data across all material scales.

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