Distributed multi-scale simulation for optimization the prduction of fiber composites for aircrafts

Fiber composites are considered standard materials for future manufacturing processes and have been used for years with an increasing tendency in vehicle and aircraft construction. They combine the advantages of their individual fibre and plastic components into a whole and are often characterised by high strength and rigidity combined with low weight.

Im Fahrzeug- und Flugzeugbau ist das Eigengewicht des Flugzeugs proportional zu dem Kraftstoffverbrauch. Deshalb besteht ein ökonomischer Anreiz Werkstoffe mit geringem Gewicht zu verwenden. Die Firma Airbus beispielsweise setzt seit Jahrzehnten neben schweren metallischen Bauteilen auch leichte Polymerwerkstoffe ein. Über das Gewicht hinaus müssen die verwendeten Werkstoffe spezielle Funktionalitäten abdecken und Anforderungen erfüllen. Sie gehören damit zu den Funktionswerkstoffen. Durch ihr geringes Gewicht, ihre hohe Stabilität und sicherheitsrelvante Funktionalitäten wie die Nichtbrennbarkeit des Materials bieten faserverstärkte Polymerwerkstoffe einen breiten Einsatzbereich.

In faserverstärkten Polymerwerkstoffen ist eine Faserstruktur in das Polymer eingebracht, um so die physikalischen Eigenschaften besser an die Anforderungen anzupassen. Faserwickeln, und Prepeg Technologie sind häufig benutzte Verfahren, um Faserverbundwerkstoffe herzustellen. Bei einem weiteren Herstellungsverfahren, der Vakuum-Infusion, das im Fokus des Vorhabens liegt, wird trockenes Fasermaterial in eine mit Trennmittel beschichtete Form gelegt. Darüber wird ein Trenngewebe und ein Verteilermedium gelegt. Nach Abdichtung der Vorrichtung, Anlegen eines Vakuums und Einbringung von Polymerharz umströmt dieses die Faserstruktur. Die Qualität des Werkstoffs hängt stark von den Gegebenheiten Druck, Temperatur, chemischen Zusammensetzung des Polymers und der geometrischen Form der Faserstruktur während des Herstellungsverfahrens ab. Einschlüsse im Polymer durch Luftblasen beispielsweise mindern die Werkstoffqualität. Darüber hinaus führt eine zu heterogene Molekülstruktur zu lokal unterschiedlichen Materialeigenschaften und kann später, unter Belastung, zum Bruch des Bauteils führen. Über die reinen physikalischen Gegebenheiten während des Herstellungsprozesses hinaus sind in der Praxis fertigungstechnische Parameter entscheidend. Bei einer Werkzeugform von Flugzeugtüren, in die das Polymerharz eingebracht werden soll, ist beispielsweise die optimale Position der Einlassstutzen und der Einlassdruck wichtig für die Qualität des Werkstoffs der Flugzeugtür.

Die Herstellung besonders funktioneller Faserverbundwerkstoffe mit hoher Qualität entspricht in der räumlichen Dimensionierung einem multiskaligen Problem. Auf unterster Ebene bestimmt die Richtung und die Länge sowie die chemischen, thermodynamischen und mechanischen Eigenschaften der Polymermoleküle das Verhalten des Faserverbundwerkstoffs. Mehrere Ebenen darüber haben Geometrie der Faserstruktur, die hydro-dynamischen Gegebenheiten beim Einlass des Polymers in die Form über die Einlassstutzen einen Einfluss. Durch die Multiskaligkeit ergibt sich ein sehr komplexes numerisches Optimierungsproblem, da verschiedene physikalische und geometrische Modelle in Betracht gezogen werden müssen. Bei den Polymeren handelt es sich um Flüssigkeiten mit hoher Viskosität, die von Temperatur und Druck abhängt und die zu ermitteln ist. Darüber hinaus variiert die Diskretisierung, die zur Lösung des Modells notwendig ist, sehr stark in ihrer räumlichen Ausdehnung.

Modellparameter über Materialeigenschaften wie Viskosität und Dichte bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur, die das Fließverhalten des Polymerharzes bestimmen, können in einem Messstand bestimmt werden. Darüber hinaus kann der Einfluss der Gewebegeometrie auf das Fließverhalten untersucht werden. Für eine detaillierte Untersuchung von optimalen Herstellungsverfahren von Faserverbundwerkstoffen sind sowohl Messungen als auch numerische Simulationen erforderlich. Durch Messungen lassen sich nur begrenzt und mit hohem Material- und Zeitaufwand Herstellungsparameter variieren. Gleichzeitig sind Messungen rein deskriptiv.

The exact physical reason for the physical mechanisms responsible for the properties of the material in order to obtain general statements about them cannot be determined with measurements. A solution to this problem is provided by numerical simulations. Material parameters from the measurements are inserted into these simulations. From known physical laws, which are integrated into the simulations via partial differential equations, a more profound and general picture of the behavior of fiber composites can be produced. Established simulation tools for material simulation of fiber reinforced composites are ESAComp, LamCens and CompositeStar. They mostly offer only 2D discretization and do not include a multiscale approach. 2D simulations oversimplify the flow behavior of the resin in thick parts, because the resin can also show dynamic behavior in the third dimension. Multiscale simulations are important to include all levels involved in the properties of the resin as part of the optimization process. The manufacturing process as such with the positioning of inlet nozzles can only be described indirectly with established software tools. In practice, there is a great need to determine the flow behavior of the resin in advance and thus to shorten the development times of components. This requires the inclusion of manufacturing techniques in the simulations. Since multiscale simulations have high computational requirements, distributed computing on computational clusters is urgently needed. Efficient distributed computing is offered by the established software only in parts.

• Prof. Dr.-Ing. Dietmar P.F. Möller
• Prof. Dr.-Ing. Dieter Meiners