Ein Zweiskalenmodell für Schädigungsvorgänge bei der spanenden Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen

Das Projekt behandelt die experimentelle Charakterisierung des CFK-Verbundes sowie dessen Komponenten, die Werkstoffmodellierung, die CFK-Zerspanungsversuche und die simulationsgestützte Analyse der CFK-Zerspanung. Das Kernziel ist die simulationsgestützte Vorhersage der Schädigungsvorgänge bei der Zerspanung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Als Arbeitshypothese werden dazu die vier relevanten Grundschädigungsarten, d. h. Faserversagen, Matrixversagen, Fasermatrixversagen und Delamination, betrachtet. Auf dieser Basis befasst sich dieses Projekt mit den folgenden Themen:

• Experimente: Die experimentelle Charakterisierung befasst sich mit der messtechnischen Erfassung der temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften sowie der Versagensparameter der obengenannten vier relevanten Grundschädigungsarten der Einzelkomponenten und des Verbundes. Die erforderlichen Versuche des Matrixwerkstoffs und des Verbundes werden bei Dehnraten bis ε = 1000 s-1 und Werkstücktemperaturen bis T = 100 °C durchgeführt, um die Prozessbedingungen bei der Zerspanung anzunähern.

• Simulation: Die Werkstoffmodellierung beschäftigt sich mit einem mikromechanischen Zweiskalenmodell. Die obengenannten vier relevanten Grundschädigungsarten sowie weitere mechanische Werkstoffeigenschaften werden dazu, basierend auf der experimentellen Charakterisierung, berücksichtigt. Außerdem handelt es sich bei der Zerspanungssimulation um einen zeitintensiven Prozess. Um die Rechenzeit und damit die Kosten für die Simulation gering zu halten, werden ausschließlich Mean-Field-Methoden zur Homogenisierung verwendet.

• Validierung: Bei den CFK-Zerspanungsversuchen werden die nötigen Daten gemessen, um Schädigungsarten, Zerspankraftkomponenten und weitere Prozessdaten auszuwerten. Die Anwendung von Orthogonaldreh- sowie von einfachen Fräsversuchen ermöglicht eine Validierung der Simulationsmodelle mittels FE-Simulationen. Dies erfolgt durch einen stetigen Abgleich von numerischen und experimentellen Daten, mit dem Ziel ein besseres Verständnis der Phänomene beim CFK-Drehen und -Fräsen zu erhalten.