Digitalisering en simulatie van hoogwaardige SMC van koolstofvezel
Nov 18, 2024
Bij de verwerking van vezelversterkte kunststoffen (FRP) is gedetailleerde informatie over het productieproces van groot belang voor zowel proces- als kwaliteitscontrole. Als gevolg hiervan is de huidige verwerkingsapparatuur uitgerust met geavanceerde sensorsystemen om verschillende procesparameters zoals temperatuur, druk of verwerkingssnelheid te bewaken.
Lokale materiaaleigenschappen zoals de samenstelling van de hars/matrix, het poriëngehalte, het vezelgehalte, de verdeling en de oriëntatie zijn echter het belangrijkst om de kenmerken van het uiteindelijke onderdeel te verklaren. In dit artikel wordt koolstofvezelversterkte plaatvormkunststof (C-SMe), een thermohardend composiet, als voorbeeld gebruikt om te illustreren hoe informatie over de lokale vezeloriëntatie online kan worden verzameld tijdens het materiaalproductieproces om een digitaal beeld van de halffabricaat te genereren. -eindproduct. De informatie uit het digitale beeld kan worden gebruikt voor realtime procescontrole en kwaliteitsbeoordeling.
Bovendien kan de informatie offline worden gebruikt om invoergegevens van materiaalmodellen en downstream-productieprocessimulaties te genereren, wat leidt tot nauwkeurigere voorspellingen van de mechanische eigenschappen van toekomstige onderdelen.
C-SMC procesketen voor de productie van halffabrikaten
Om een digitaal beeld te kunnen maken van een C-SMC halffabrikaat, moet tijdens het productieproces de oriëntatie van de vezels realtime worden vastgelegd. Leibniz-Institut für Verb undwerkstoffe GmbH (IVW) gebruikt hiervoor een optisch beeldacquisitiesysteem genaamd polarisatiebeeldvorming. Het systeem gebruikt de polarisatie-eigenschappen van het oppervlak van de koolstofvezel om ongepolariseerd licht in te laten vallen. De polariserende camera vangt het gereflecteerde gepolariseerde licht op en digitaliseert het vervolgens om de vezeloriëntatie-informatie uit de onbewerkte gegevens te interpreteren.
Om een duidelijk zicht op de plattegrond van de verspreide vezels te garanderen, wordt de polarisatiecamera direct achter de snijmachine geplaatst. De camera maakt vervolgens met voorgeschreven tijdsintervallen beelden van het materiaal in het gezichtsveld om een stapel beelden te vormen. Deze beelden worden gecombineerd tot een doorlopend totaalbeeld van de halffabrikaatrol.
De door de camera vastgelegde onbewerkte gegevens worden via de hardware-evaluatiesoftware van het systeem direct omgezet in de gewenste lichtintensiteit van de beeldcomponent, de mate van lineaire polarisatie (DOLP) en de lineaire polarisatiehoek (AOP). Tijdens het digitaliseringsproces gebruikt een combinatie van verschillende softwarecomponenten deze beeldgegevens om de gewenste vezeloriëntatie-informatie te extraheren.
Om de interpretatie te vereenvoudigen, toont Figuur 2 het gegevensextractieproces voor een voorbeeld met behulp van een reeds geperst C-SMC-monster. Met behulp van de lichtintensiteit van de beeldcomponent en DOL P is het mogelijk om alle delen van het beeld te maskeren die niet gepolariseerd zijn of beeldfouten vertonen, zoals overbelichte pixels.
Nabewerking van digitale beelden. a) Digitaal beeld gegenereerd op basis van onbewerkte gegevens (intensiteit, DOLP, AOP) met vezeloriëntatietensor van grijstinten. b) Kleur de digitale afbeelding voor een betere visualisatie. c) Histogrammen voor het evalueren van anisotropie. d) Resolutierasterisering van het FE-model is de basis voor het bepalen van de oriëntatietensor van de vezel. e) Visualisatie van de vezeloriëntatietensor
Het resultaat is het initiële grijswaardenbeeld a), dat de vezeloriëntatiehoek toont, gevisualiseerd in het beeldvlak. Kleurmapping kan worden toegepast b) om de analyse van het menselijk oog te verbeteren, en er kunnen histogrammen worden gegenereerd die duidelijk de gewenste vezeloriëntatie en anisotropie weergeven
c).Als digitale beelden worden gebruikt als basis voor berekeningen en simulaties, is informatie over vezeloriëntatiehoeken onvoldoende. Veel simulatiemodellen gebruiken de vezeloriëntatietensor (FOT) als basis voor vezeloriëntatieberekeningen. De FOT is een symmetrische tensor van de tweede orde die de waarschijnlijkheidsverdeling van vezeloriëntatie in een klein volume beschrijft. De eigenwaarden en eigenvectoren van de FOT kunnen worden gebruikt om de hoofdvezeloriëntatie te bepalen.
Omdat FOT een waarschijnlijkheidsverdeling is, is het specificeren van de vezeloriëntatiehoek in een beeldpixel alleen niet voldoende om de tensor te bepalen. Daarom wordt een raster d) op het beeldvlak gemaakt en wordt de FOT bepaald door de beeldpixels binnen elke beeldpixel te evalueren. raster cel. In e) wordt de FOT van elke rastercel uitgedrukt als een ellipsoïde. In deze weergave kan de mate van uitlijning en anisotropie op elk punt op het meetoppervlak direct worden beoordeeld.
Een belangrijk doel van de vezelgeoriënteerde digitale beeldopname van de C-SMC halffabrikaatrol is om deze te gebruiken om invoerinformatie te genereren voor daaropvolgende processimulatie van het compressievormproces (Figuur 3). Na het uitvoeren van het digitaliseringsproces kan de FOT-informatie op elk gewenst moment worden geëxtraheerd
locatie om een digitale tabel met SMC-kosten te maken.
Ja. De FOT van de individuele verlagingen van de lading kan tijdens dit proces worden toegepast op de afzonderlijke elementen van het FE-raster, of de informatie kan worden toegepast op het gehele FE-raster als een gemiddelde van de homogenisatie.
Hiervoor zijn geen nieuwe ontwikkelingen op het gebied van simulatiemethoden nodig, aangezien veel simulatiemethoden al macroscopische modellen gebruiken op basis van Folgar- en Tucker-vergelijkingen om de evolutie van de vezeloriëntatie te berekenen, en daarom de FOT-informatie direct gebruiken.
Ten slotte kunnen de FOT-resultaten van compressievormsimulaties worden doorgegeven aan de volgende fase van de digitale procesketen, meestal kromtrekking of structurele simulatie. Het resultaat is een continue digitale procesketen gebaseerd op echte geregistreerde gegevens van de materiaalproductie.
