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  = 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.
   

This project includes an experimental characterization of the carbon-fiber-reinforced plastic (CFK) composite and its components, material modeling, CFK machining tests, and simulation-supported analyses of CFK machining. Its main objective is the simulation-supported prediction of machining damage mechanisms of CFK. Four basic relevant damage types form the working hypothesis: fiber failure, matrix failure, fiber-matrix failure, and delamination. On the basis of the damage mechanisms, this project considers the following themes:

• Experiments: The experimental characterization concentrates on the measurement of the temperature-dependent mechanical properties and the failure parameters of the four basic damage types of single components and the composite. The necessary tests for the matrix material and the composite are implemented with a strain rate up to  = 1000 s^-1 and a workpiece temperature up to T = 100°C to get closer to the process of machining.

• Simulation: The material modeling is based on a micromechanical two-scale model. The four relevant basic damage types and further mechanical material properties are considered through experimental characterization. The machining simulation is a time-consuming process. To minimize computing time and simulation costs, the mean-field method is exclusively used for homogenization.

• Validation: In the CFK machining tests, the necessary data are measured to evaluate the damage types, cutting force components, and other process data. Orthogonal turning tests and simple milling tests enable the validation of FE simulation models. This validation occurs through an ongoing evaluation of numerical data with respect to the experiment data, with the objective of obtaining a better understanding of the phenomena of CFK turning and milling.
   

DFG, GZ: MA 1979/36-1