Title: Entwicklung und Anwendung einer Simulationstechnik für das Polyurethan-Faser-Sprühverfahren
Other Titles: Development and and application of a simulation methodology for the fiber reinforced polyurethane spray molding technology
Authors: Diffo Nkuété, Joseph Patrick 
Language: ger
Subject (DDC): Ingenieurwissenschaften
Subject: Sprühsimulation
CFD Euler-Lagrange
Quellterm
Simulation
Fasermodellierung
Kirchhoff-Love-Theorie
Fluid-Struktur-Interaktion FSI
Source Term Allocation
Fiber Simulation
Fiber Orientation
Issue Date: 2014
Document Type: Thesis
Abstract: 
Für die Herstellung ein- oder mehrschichtiger Faserverbundwerkstoffe auf Polyurethan-Basis werden seit einigen Jahren Sprühverfahren eingesetzt, bei denen das zunächst noch flüssige reaktive Polyurethan (PUR) mit den zur Verstärkung untergemischten Langfasern gleichzeitig in eine Werkzeugform oder auf ein Substrat gesprüht werden, wo diese dann unter Druck oder frei zu einem Verbund aushärten.Die Faserverstärkung verbessert die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften des Bauteils deutlich. Dennoch kann nur eingeschränkt eine quantitative Aussage über die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes (Composites) gemacht werden, da durch die komplizierte Dynamik des Sprühauftrags die Verteilungen der Fasermenge und der Faserorientierung über das Verbundwerkstoff nicht bekannt sind. Diese Informationen über die mittlere lokale Faserausrichtung, die Faserdichte- und die Schichtdickenverteilung sind zum einen zur Voraussage von Werkstoffeigenschaften von Composites notwendig und sollen für weiterführende FEM-Modelle bzw. FEM-Berechnungen zur Verfügung stehen. Zum anderen können die gewonnenen Verteilungen und Faserorientierungen als Zielgröße zur Optimierung des Fertigungsprozesses dienen, in dem eine Einflussanalyse bestimmter Prozessparameter auf die genannten Zielgrößen durchgeführt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine Simulationstechnik entwickelt und eingesetzt, mit der sich dieses Fertigungsverfahren rechnerisch abbilden und die entsprechenden Verteilungen abschätzen lassen. Die entwickelte Simulationstechnik erfordert die Modellierung des Sprühstrahls (Luft-Tropfen-Gemisch), der Faserdynamik und einer Auswertungsroutine für die Orientierungs- und Mengenverteilung von auf dem Substrat liegenden Fasern. Diese Modellierungen erfolgen sequentiell (keine vollständige Echtzeitskopplung) unter Austausch von jeweils spezifischen Daten. Das Luft-Tropfen-Gemisch wird mithilfe von ANSYS-FLUENT unter Nutzung des vier-Wege-gekoppelten Euler-Lagrange-Submodells abgebildet. Wissenschaftlich neu ist dabei der Einsatz des eigens entwickelten sogenannten 4-Zellen-Systems. Dabei handelt es sich um eine Luftinjektionsmethode ohne Nutzung von Einlass-Randbedingung und Neuvernetzung des Simulationsgebietes, dass in vier benachbarten Kontrollvolumen des Simulationsgebietes mithilfe von Quelltermen in der Reynolds-averaged-Navier-Stokes-Gleichung jeweils ein eigener Geschwindigkeitsvektor einstellt. Diese Vektoren ermöglichen somit die Bildung eines Luftkegels mit beliebig einstellbarem Öffnungskegel und sogar die Erzeugung von Drall im Luftstrahl. Die wiederholte Auswahl von vier benachbarten Kontrollvolumen z.B. entlang einer vordefinierten Bahn ahmt die Bewegung einer Luftinjektionsdüse nach. Erhalten wird ein dynamisches 4-Zellen-System, bei dem die Tropfen entsprechend der Position des 4-Zellen-Systems injiziert werden (Bewegung der Tropfeninjektor). Die Fasersimulation erfolgt in der Simulationsumgebung FiDyst (In-House-Code des Fraunhofer Institutes für Techno- und Wirtschaftsmathematik) wobei für die Faser-Tropfen-Kopp-lung vier Modelle entwickelt und gegenübergestellt worden sind. Bei den Kopplungsmodellen wird die Tropfenphase als ein künstliches Fluid betrachtet. Dabei wird die Tropfenphase entweder mit der Luftphase zu einer fiktiven neuen Phase homogenisert (Homogenisierungsmodell) oder die Tropfenphase wird als ein eigenständiges künstliches Fluid angesehen, das entweder ähnlich der Luftphase frei (Semi-Homogenisierungsmodell) oder gedämpft (Filtermodell) auf die Fasern wirkt. Das letzte Modell (deterministisches Filtermodell) belässt die Tropfenphase in ihrer Ursprungsform und beinhaltet eine Methode zur Tropfen-Faser-Kollisionsanalyse und zum Tropfen-Faser-Impulsaustausch. Die Validierung dieser Simulationsmethodik samt der entwickelten Modelle erfolgte durch die Auswertung von faserverstärkten Platten, die im Technikum der Hennecke GmbH hergestellt wurden. Bei der Auswertung wurden die Platten in Probestücke vordefinierter Abmessungen segmentiert und gewogen (Validierung des Luft-Tropfen-Gemisches) oder thermisch belastet (Validierung der Faser-Tropfen-Kopplungsmodelle). Die gewogenen Proben wurden zur indirekten Validierung der Simulationen benutzt. Die thermisch belasteten Proben wurden zur Ermittlung der mittleren Faserausrichtung und Fasermenge herangezogen und zeigten, dass das Filtermodell die beste Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen liefert.
Organization Units (connected with the publication): Mechanik 
DOI: urn:nbn:de:gbv:705-opus-30852
https://doi.org/10.24405/510
Advisor: Breuer, Michael
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