Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) bieten hervorragende Leistungskennwerte bei hohen Temperaturen. Insbesondere kohlenstofffaserverstärktes Aluminium bietet das Potenzial für ein hervorragendes Verhältnis von Leistung und Gewicht. Die CIKONI GmbH ist derzeit in einem Forschungsprojekt aktiv, das Prozesssimulationsmethoden für die Squeeze-Infiltration von Aluminium-Matrix-Faserverbundwerkstoffen entwickelt, um die textile Interaktion mit der injizierten Matrix zu bewerten. Das übergeordnete Ziel ist es, die Effizienz der Prozessentwicklungsschritte zu erhöhen und bessere Erkenntnisse über die Auswirkungen von Defekten bei der Herstellung von MMCs zu gewinnen.

Die numerische Vorhersage der Permeabilität eines orthogonal gewebten 3D-Textils wird mit einem ICFD-Solver untersucht. Zu diesem Zweck wird eine mesoskopische Einheitszelle infiltriert und die Permeabilität unter Verwendung der relevanten Strömungsparameter bestimmt. Aufgrund der Mehrskaligkeit eines verstärkten Gewebes wird der Einfluss von Faserbündeln auf die Strömungsdurchlässigkeit in Dickenrichtung in einer Parameterstudie untersucht. Das Modell kann durch geometrische Überlegungen effizient auf ein Viertel seiner Größe reduziert werden, was eine erhebliche Einsparung an Rechenzeit bedeutet. In einer Parameterstudie führten bereits geringe Änderungen der Geometrie zu einer Abweichung der Permeabilität von bis zu 65%.

Verbundwerkstoffe mit Metallmatrix

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass bereits geringe Unterschiede in der Faserbündelporosität zu einer Strömungsbeschleunigung in einer hexagonalen Einheitszelle führen. Die virtuelle Permeabilitätsvorhersage für orthogonale 3D-Gewebe zeigt eine hohe Übereinstimmung mit experimentellen Messungen. Bei einem orthogonalen 3D-Gewebe muss die intra-laminare Strömung berücksichtigt werden, was die Bedeutung simulativer Methoden zur Bewertung der Herstellbarkeit von MMC-Bauteilen unterstreicht.

Der Fluss des Matrixmaterials wird mit der Temperatur verknüpft, um eine realistischere Darstellung zu erhalten. CIKONI hat eine Simulationsmethodik entwickelt, um die Infiltration von MMCs in Abhängigkeit von den relevanten Prozessparametern abzubilden. Für die Untersuchungen werden vier repräsentative Einheitszellen verwendet, die durch eine Übertragung der Randtemperaturen verbunden sind. Darüber hinaus werden pro Simulationsreihe eine thermisch gesättigte Strömungssimulation und eine gekoppelte ungesättigte Infiltrationssimulation gebildet. Die für die thermische Simulation erforderliche Wärmeleitfähigkeit senkrecht zu den Faserachsen wird dazu mittels einer 2D-Simulation in der Mikroebene ermittelt und mit analytischen Formeln ähnlicher Geometrien verglichen. Es wird ein gutes Simulationsergebnis erreicht.

Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung und Anwendung einer Methode zur numerischen Vorhersage des Zeitbedarfs für die Infiltration einer makroskopischen Demonstrationsplatte mit einer Metallmatrix unter Berücksichtigung der mesoskopischen Einheitszellengeometrie. Unter Verwendung der entwickelten Methodik wird eine simulative Parameterstudie der Infiltrationszeit über die Anfangstemperaturen der Schmelze, des Werkzeugs und der Vorform unter Verwendung der erstellten Einheitszelle durchgeführt. Die Ergebnisse bilden die erwartete Beziehung zwischen Temperaturen und Infiltrationszeit ab. Mit steigenden Anfangstemperaturen nimmt auch die Infiltrationsrate zu, wobei in dem in dieser Arbeit numerisch untersuchten Modell die Temperatur der Schmelze einen größeren Einfluss hat als die der Vorform und des Werkzeugs.

Mit den vorliegenden Ergebnissen ist CIKONI in der Lage, den Herstellungsprozess von MMC effizient zu simulieren und MMC-Bauteile ohne endlose experimentelle Iterationen auf ihre Herstellbarkeit hin zu optimieren. Wenn Sie eine Herausforderung im Bereich der Verbundwerkstoffe haben, kontaktieren Sie uns noch heute für ein erstes Gespräch über mögliche Lösungen.

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