Experimental investigation and process simulation of the compression molding process of Sheet Molding Compound (SMC) with local reinforcements

Die ganzheitliche virtuelle Auslegung von Faserverbundbauteilen aus Sheet Molding Compund (SMC) ermöglicht es durch die Berücksichtigung von Fertigungseffekten in der Struktursimulation, bedarfsgerechtere und somit leichtere und günstigere Bauteile zu fertigen. Hierfür muss jedoch die Prozesssimulation in der Lage sein, die SMC-spezifischen Blockströmung auf Grund der niedrig-viskosen Randschicht richtig zu beschreiben. Nur so kann das richtige Füllverhalten und somit auch die richtige Faserorientierungsverteilung vorhergesagt werden. Dies wird gerade im Kontext des zunehmenden Einsatzes von semi-strukturellen SMC-Formulierungen besonders wichtig. ... mehrDarüber hinaus gibt es neue Konzepte der Hybridisierung von SMC mit lokalen unidirektionalen Verstärkungen, welche ebenfalls in der Prozesssimulation berücksichtigt werden müssen, um die Positionierung der Verstärkungen abzusichern.
Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein neuer dreidimensionaler Ansatz für die Prozesssimulation von SMC entwickelt, der sowohl die durch Dehnviskosität dominierte Kernschicht, als auch die niedrig-viskose Randschicht berücksichtigt. Durch die Verwendung des gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes, kann auch die Interaktion zwischen SMC und lokalen Verstärkungen abgebildet und vorhergesagt werden. Um die Informationen aus der Prozesssimulation in die Struktursimulation zu übertragen, wurde eine CAE-Kette weiterentwickelt, die das Übertragen der Information vom Prozess- zum Strukturnetz ermöglicht. Hierbei wird sowohl eine Cluster-Bildung, als auch eine Homogenisierung auf Basis der Faserorientierungsverteilung durchgeführt.
Zur experimentellen Analyse des Fließverhaltens, sowie zur Bereitstellung der benötigten validen Materialparameter für die Prozesssimulation, wurde ein neues rheologisches Fließpresswerkzeug entwickelt. Mit diesem Werkzeug wurden erstmal das kompressible Verhalten von semi-strukturellen SMC Formulierungen nachgewiesen und über einen phänomenologischen Ansatz beschrieben. Auf Basis dieser Kompressibilitätsformulierung konnte ein neues rheologisches Model entwickelt, das eine genauere Charakterisierung ermöglicht. Durch die Charakterisierung von fünf unterschiedlichen SMC-Materialformulierungen, konnten einige Gesetzmäßigkeiten der Materialparameter abgeleitet werden.

A holistic virtual design of Sheet Molding Compound (SMC) components takes manufacturing effects in the structure simulation into account. This enables lighter and cheaper components that meet the needs of the customer due to a reduced margin of safety , compared to today’s designs. For that purpose, however, the process simulation must be able to describe the SMC-specific plug flow correctly, which occurs due to the low-viscosity boundary layer. Otherwise, the filling behavior and thus the fiber orientation distribution cannot be predicted correctly. Especially in the context of the increasing use of semi-structural SMC formulations, this is particularly important. ... mehrIn addition, there are new concepts for the hybridization of SMC with local unidirectional reinforcements. These reinforcements must also be considered in the process simulation to ensure the positioning of the reinforcements in the final part.
For this reason, a new three-dimensional approach for the process simulation of SMC is developed in this thesis. This approach takes into account both, the core layer that is dominated by the extensional viscosity and the thin lubrication layer, which is dominated by a high shear rate. By using the Coupled-Eulerian-Lagrangian (CEL) approach, the interaction between SMC and local reinforcements can be modeled and thus, predicted. In order to transfer the information from the process simulation to the structure simulation, a CAE chain is further developed. This CAE chain enables the transfer of the information from the process to the structure mesh. As part of this CAE-chain, a clustering and a homogenization are carried out based on the fiber orientation distribution.
To analyze the flow behavior experimentally and to provide the required valid material parameters for process simulation, a new rheological tool is developed. With this rheological tool, the compressible behavior of semi-structural SMC formulations is proven for the first time and described by using a phenomenological approach. Based on this compressibility formulation, a new rheological model is developed which allows a more precise characterization. By characterizing five different SMC material formulations, several pattern of material parameters are derived.