Scherung titelbild, CIKONI COMPOSITES EXPERTS

Materialcharakterisierung für die Drapiersimulation und Prozessentwicklung: Scherung (Teil 1)

Die Bedeutung der Schercharakterisierung für die virtuelle (und reale!) Produktentwicklung

Preforming ist der Kernprozess innerhalb der RTM-Prozesskette. Fehler, die hier entstehen setzen sich in die gesamte Fertigungskette und somit in die Bauteilqualität fort. Um so wichtiger, genau zu verstehen was im Preformingprozess vonstatten geht. Neben der prozesstechnischen Optimierung des Preformingschritts und der Auswahl geeignter Halbzeuge und Geometrien, kann vorallem die Drapiersimulation das Zusammenspiel aus Geometrie-Prozess-Halbzeug und den Link in die resultierende Prozessmechanik entscheidend unterstützen. Darüber hinaus können Grundlagenversuche bereits das Prozessverständnis entscheidend unterstützen. Für beide spielt vorallem für Gewebe und für das Preforming komplexer Geometrien die Schercharakterisierung eine entscheidende Rolle.

Aktuelle Charakterisierungsverfahren

Zur Schercharakerisierung sind drei grundsätzliche Verfahren bekannt: Der Bias-Zugscherversuch, der Scherrahmenversuch und die Charakterisierung über das Kreisbahn-Verscherungsprinzip. Die Verfahren unterscheiden sich bezüglich ihrer Randbedingungen, den resultierenden Versuchskennwerten und der Nutzbarkeit für die Drapiersimulation.

Darüber hinaus ist genau zu bestimmen, für welchen Prozess die Charakterisierung durchzuführen ist. So erfordern erwärmte Prozesse wie die Organoblechumformung eine Charakterisierung unter verschiedenen Temperaturbedingungen, die nicht von allen Charakterisierungsmethoden gewährleistet werden können.

Im industriellen Preforming entstehen durch Reibung der Lagen zueinander, aber auch durch das Materialführungssystem und durch die Interaktion zum Werkzeug intralagen Kräfte (“Membranspannugen“), die eine Charakterisierung der Verscherung unter eben diesen Randbedingungen erforderlich machen. Wir haben über statistische Versuche ermittelt, dass dieser Effekt deutlich prägnanter ist als andere Prozesseinflüsse (siehe Bild).

Scherkraft, Bindung, Membranspannung, Filamentanzahl und Hysterese im Vergleich

Unser Ansatz: Charakterisierung für das industrielle Preforming

Unser eigens entwickeltes Charakterisierungswerkzeug dient der Schercharakterisierung von Trockenhalbzeugen v.a. für das Preforming. Hierbei bietet es uns gegenüber anderen Charakterisierungswerkzeugen folgende Alleinstellungsmerkmale:

  • Charakterisierung mit und ohne Membranspannungen durch ein neuartiges Krafteintragsprinzip zur Berücksichtigung von Membranspannungen, so wie sie in industriellen Preformvorgängen auftreten
  • Überwachung des Kraftzustandes über Kraftmessdosen
  • Verschiedene Spannungszustände für die Verstärkungsachsen und ortsvarianter Krafteintrag innerhalb der Achsen
  • Möglichkeit zur Ableitung von hochgenauen Materialmodellen für die Drapiersimulation.

Scherrahmen mit Vorzügen

Diese Fehler sollten Sie vermeiden:

  • Ein ungeeignetes Charakterisierungsverfahren nutzen: Bias-Extension, Scherrahmen und Kreisbahncharakterisierung unterscheiden sich erheblich bezüglich ihres Versuchsaufwandes, ihrer Prognosegüte und der ableitbaren Kennwerte. Hier gilt es das geeignete Verfahren für Ihren Anwendungsfall zu wählen.
  • Materialcharakterisierung nur als Versuchsdurchführung auffassen und Daten blind in die FEM Umgebung übernehmen: Zur Auswertung der Daten ist eine umfassende Aufbereitung der Daten notwendig, die auf die jeweiligen Materialmodelle der Simulationsprogramme anzupassen ist.
  • Bitte glauben Sie nicht, dass sich die “Drapierbarkeit” eines Verstärkungshalbzeuges aus einem Versuchstyp ableiten lässt. Drapierbarkeit ist deutlich mehr als nur eine notwendige Kraft zur Scherverformung, aber dazu an anderer Stelle mehr.

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Empfohlene Literatur zum Thema Schercharakterisierung: