Mehrskalensimulation von Textilverstärkungsstrukturen für Faserverbundanwendungen zum Einsatz in der Industrie 4.0

Verbundwerkstoffe aus textilen Hochleistungsmaterialien sind bekannt für ihre überragenden mechanischen Eigenschaften und ihren überzeugenden Leichtgewichtcharakter. Da die belastungsoptimierte Auslegung der Bewehrungsstruktur der Schlüssel zu erfolgreichen Leichtbau-Verbundwerkstoffen ist, liegt das Augenmerk auf der Konstruktion anisotroper und inhomogener Bewehrungen, die sowohl anspruchsvoll als auch vielversprechend ist. Dennoch ist die Entwicklung komplexer textiler Preforms sowie die Realisierung des Preformprozesses derzeit kosten- und zeitintensiv. Da die moderne Leichtbauindustrie auf Vollautomatisierung und absolute Flexibilität zusteuert, steht die Motivation für eine simulative Vorhersage von Verbundeigenschaften auf der Agenda. Die Bemühungen, eine automatische Produktionsumgebung mit kundenspezifischer Entwicklung, flexibler Fertigung und moderner Logistik zu schaffen, sind im Begriff Industrie 4.0 gebündelt. Die allgemeine Digitalisierung von Design, Entwicklung und Fertigung birgt große Möglichkeiten für den Composite-Markt.
In dieser Arbeit wird eine vollständig virtuelle Entwicklungskette für Faserverbundwerkstoffe augestellt. Ein Verfahren zur Modellierung von Verbundverstärkungen auf der Mikroskale in Abhängigkeit von den Fertigungsparametern wird etabliert. Die vorgestellten Mikroskalenmodelle sind in der Lage, sowohl die mechanischen Eigenschaften der trockenen Textilien als auch die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe vorherzusagen. Mit diesem Ansatz werden virtuelle Drapiersimulationen zur Optimierung des Preformingprozesses und Simulationen der Tragfähigkeit der Verbundteile ermöglicht. Es wird gezeigt, dass ein ganzheitlicher Ansatz - von der Faser bis zur Verbundstruktur - auf einer vollständig virtuellen Ebene durchgeführt werden kann. Die digitalen Methoden sind in der Lage, Daten entlang der gesamten Composite-Entwicklungskette zu liefern.