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In-Situ Polymerisation

MitarbeiterInnen am IPIM haben in der Vergangenheit Meilensteine in der Entwicklung für endlosfaserverstärkte Leichtbauteile gesetzt und arbeiten derzeit mit Hochdruck an neuen Leichtbautechnologien um das Gewicht der Fahrzeuge der Zukunft zu senken. Dazu wird am IPIM die in-situ Polymerisation von Caprolactam detailliert untersucht.

Für den Füllvorgang von faserverstärkten Polymeren werden Algorithmen entwickelt, mit denen nicht nur eine Faser- oder eine Dickenoptimierung durchgeführt werden kann, sondern direkt Größen ermittelt werden können, welche mit experimentellen Methoden nur schwer oder gar nicht erfasst werden können. Beispielsweise kann die momentane Verteilung des Polymerisationsgrades bzw. der Viskosität ermittelt werden. Damit kann der Prozess als Ganzes betrachtet werden und ideale Prozessbedingungen, wie Temperatur und Injektionszeit, so abgestimmt werden, dass während des Herstellprozesses gewünschte Materialeigenschaften gewährleistet werden.

Abbildung 1: Zeitliche Änderung der Polymeriysation (a), der Polymerisationsrate (b), der Temperatur (c) sowie der Temperaturänderung (d) in der in-situ Polymerisation

Dazu wird sichergestellt, dass die verwendete Modellierung der Fasern in OpenFOAM nicht nur in einfachen Geometrien (z.B. flache Platte), sondern auch in beliebig gekrümmten Geometrien anwendbar ist.

Abbilding Automatisch erstellter Faserausrichtung und Polymerverteilung in der ausgebildeten Strömung Abbilding 2: Automatisch erstellte Faserausrichtung und Polymerverteilung in der ausgebildeten Strömung

Für die Berechnung der Polymerisation, der Kristallisation sowie der Viskositätsänderung während der Reaktion in der Füllphase und im Anschluss darauf wird die verwendete Software OpenFOAM mit den entsprechenden Modellen erweitert. Damit wird ermöglicht, dass die Flüssigkeitsströmung mit der Polymerisation gekoppelt wird.

Ein weiterer, wichtiger Zusammenhang liegt zwischen Polymerumsetzgrad bzw. Viskosität. Im Rahmen der Simulationen ist es möglich nicht nur die Kopplung der Strömung mit der Polymerisation abzubilden, sondern auch die Kopplung zwischen einer schnellen Polymerisation und die dadurch bedingte starke Änderung der Viskosität (um bis zu 6 Größenordnungen!) sowie die Rückkopplung der veränderten Viskosität mit der Strömung selbst. Da der Ausgangsstoff (Caprolactam) und das Endprodukt (PA6) eine stark abweichende Viskosität aufweisen, beeinflusst die Reaktion stark die Strömung, wodurch eine Rückkopplung entsteht. Diese verursacht die starke Nichtlinearität des Vorganges. Durch die Visualisierung der Vorgänge wird ein grundlegendes Verständnis der Prozesse ermöglicht. Dadurch ist es möglich durch ungünstige Prozessparameter bedingte undefinierte Strömungsverhältnisse auszuschließen.

Zusätzlich kann in den Polymerisationssimulationen eine signifikante Faserveschiebung und die -scherung modelliert werden. Dazu werden die Fasern in einem FE-Programm drapiert um die tatsächlichen Faserrichtungen und -scherungen zu erhalten. Aus diesen Ergebnissen werden die lokale Scherwinkelverteilung und die Permeabilitätsänderung durch den Drapiervorgang errechnet. Aus dem ursprünglichen Faservolumengehalt und aus der Fasserrichtung können die Hauptrichtungen der Permeabilität errechnet werden, wodurch alle lokalen Eigenschaften bekannt sind um die Strömung abbilden zu können. Eine hohe Scherung ergibt eine signifikante Änderung der Permeabilität (bis zu einer Größenordnung!), wodurch in den Bereichen lokal der Strömungswiderstand ebenfalls um die gleichen Größenordnung höher wird.

Abbildung Scherwinkel und Permeabilitätsverteilung in einer stark gekrümmten Werkzeuggeometrie Abbildung 4: Scherwinkel und Permeabilitätsverteilung in einer stark gekrümmten Werkzeuggeometrie