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DFG project G:(GEPRIS)454873500

Modellierung des Thermoformprozesses von langfaserverstärkten Thermoplasten

CoordinatorProfessor Dr.-Ing. Alexander Lion ; Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
Grant period2021 - 2026
Funding bodyDeutsche Forschungsgemeinschaft
 DFG
IdentifierG:(GEPRIS)454873500

Note: Der neuartige Einsatz von thermoplastischen Polymeren in Faserverbundkunststoffen bietet den Vorteil, dass diese (im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten) wiederholt erwärmt, verformt und abgekühlt werden können. Aufgrund der vielen Vorteile (kurze Zykluszeiten, einfache Lagerung und Handhabung, erhöhte Zähigkeit und Recyclingfähigkeit) wächst der Markt für thermoplastische Systeme seit Jahren überdurchschnittlich um 5% pro Jahr. Zur Verarbeitung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen (TPFVK) eignet sich insbesondere das Thermoformen. Im Zuge dessen ist die Prozessstabilität jedoch häufig nur schwer zu gewährleisten. Aufgrund von thermischen Gradienten, der Faser-Matrix-Interaktionen und des komplexen Kristallisationsverhaltens beim Erstarren der eingesetzten Polymermatrix, treten Residualspannungen auf mehreren Skalen auf, die zu Bauteilverzug sowie zu Schädigungen führen können. Konventionelle „Trial-and-Error“ Ansätze sind kaum geeignet um diese Defekte zu vermeiden. Stattdessen stellen computergestützte Modelle eine vielversprechende Alternative dar.Das übergreifende Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs zur Vorhersage des Thermoformprozesses von TPFVK. Im Zuge dessen ist es zum einen entscheidend, die heterogenen Temperaturfelder und Wärmeströme vorherzusagen. Des Weiteren muss die Evolution der kristallinen Phasen auf der Grundlage der thermischen Randbedingungen erfasst und die zusätzliche Wärmeentwicklung infolge dieser exothermen Reaktion vorhergesagt werden. Dies erfordert die Lösung eines voll gekoppelten, transient thermo-mechanischen Problems.Die Projektarbeit liefert die folgenden wissenschaftlichen Innovationen: Zum einen wird ein viskoplastisches Materialmodell des Thermoplastes für die gesamte Spanne der prozessrelevanten Temperaturen und Kristallinitätsgrade entwickelt. Des Weiteren erfolgt die Modellierung der komplexen Erstarrungsvorgänge des Polymers aus der Schmelze unter Berücksichtigung der Fasern. Auf der Grundlage dieser Teilmodelle wird ein anisotropes Konstitutivgesetz der Thermo-Viskoplastizität entwickelt, um die faserverstärkten Einzelschichten abzubilden. Zur experimentellen Identifizierung und Kalibrierung der Modelle über die gesamte Temperatur- und Kristallinitätsspanne werden neue experimentelle Methoden entwickelt. Letztere dienen insbesondere zur Untersuchung des Materialverhaltens bei niedrigen Kristallinitätsgraden und Temperaturen oberhalb des Glasübergangs.Neben der Evolution von Eigenspannungen soll das entwickelte Modell eine ausführliche Analyse der lokalen Kristallinität und der resultierenden (gegebenenfalls heterogenen) Materialeigenschaften erlauben. Es ist zu erwarten, dass dies zu neuen Erkenntnissen hinsichtlich des Beginns und der Entwicklung des Bauteilverzugs und so zu individuellen Empfehlungen bezüglich des Prozessablaufes führen wird.
   

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An anisotropic thermo-mechanically coupled constitutive model for glass fiber reinforced polyamide 6 including crystallization kinetics
International journal of plasticity 189, 104341 () [10.1016/j.ijplas.2025.104341]  GO OpenAccess  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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Experimental investigation and micromechanical analysis of glass fiber reinforced polyamide 6
Mechanics of materials 199, 105144 () [10.1016/j.mechmat.2024.105144]  GO OpenAccess  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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A thermo-mechanically coupled constitutive model for semi-crystalline polymers at finite strains : Mechanical and thermal characterization of polyamide 6 blends
Continuum mechanics and thermodynamics 36, 1 () [10.1007/s00161-024-01288-2]  GO OpenAccess  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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Semi‐crystalline polymers at finite strains: A thermo‐coupled constitutive model for varying degrees of crystallinity and temperatures
92. Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, GAMM 2022, AachenAachen, Germany, 15 Aug 2022 - 19 Aug 20222022-08-152022-08-19 Proceedings in applied mathematics and mechanics : PAMM 23(1), e202200162 () [10.1002/pamm.202200162] special issue: "Special Issue:92nd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM) / Issue Edited by: Ch. Böhm, K. Mang, B. Markert, S. Reese, M. Schmidtchen, J. Waimann, M. Kaliske"  GO OpenAccess  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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A novel thermo‐mechanically coupled material model for glass above the glass transition temperature
93. Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, GAMM 2023, DresdenDresden, Germany, 30 May 2023 - 2 Jun 20232023-05-302023-06-02 Proceedings in applied mathematics and mechanics : PAMM 23(4), e202300150 () [10.1002/pamm.202300150] special issue: "Special Issue: 93rd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM) / Issue Edited by: M. Beitelschmidt, Ch. Böhm, K. Eckert, J. Fröhlich, M. Kästner, S. Löhnert, S. Neukamm, O. Sander, M. Schmidtchen, A. Voigt, J. Waimann, T. Wallmersperger, M. Kaliske"  GO OpenAccess  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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Efficient thermomechanically coupled FE‐FFT‐based multiscale simulation of polycrystals
93. Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, GAMM 2023, DresdenDresden, Germany, 30 May 2023 - 2 Jun 20232023-05-302023-06-02 Proceedings in applied mathematics and mechanics : PAMM 23(2), e202300058 () [10.1002/pamm.202300058] special issue: "Special Issue: 93rd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM) / Issue Edited by: M. Beitelschmidt, Ch. Böhm, K. Eckert, J. Fröhlich, M. Kästner, S. Löhnert, S. Neukamm, O. Sander, M. Schmidtchen, A. Voigt, J. Waimann, T. Wallmersperger, M. Kaliske"  GO OpenAccess  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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A thermo-coupled constitutive model for semi-crystalline polymers at finite strains: Application across scales
Technische Mechanik 43(2), 211-219 () [10.24352/UB.OVGU-2023-057]  GO OpenAccess BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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Thermo-mechanically coupled gradient-extended damage-plasticity modeling of metallic materials at finite strains
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 Record created 2023-01-20, last modified 2026-06-18
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