IKV: Badania na rzecz praktyki Tworzywa termoplastyczne wzmocnione krótkimi włóknami szklanymi: celowa analiza zachowania zmęczeniowego i wydłużanie trwałości

Tworzywa termoplastyczne wzmocnione krótkimi włóknami szklanymi znajdują coraz szersze zastosowanie w aplikacjach poddawanych dużym obciążeniom – na przykład w przemyśle motoryzacyjnym i przy produkcji urządzeń. Jednak niejednorodna orientacja włókien utrudnia wiarygodne przewidywanie zachowania materiału w warunkach zmęczenia materiałowego. Naukowcy z IKV pokazują, w jaki sposób dzięki celowemu wytwarzaniu próbek, analizom eksperymentalnym i symulacjom mikromechanicznym można lepiej zrozumieć mechanizmy uszkodzeń i precyzyjniej opracowywać modele trwałości.

Zrozumienie zachowania termoplastów wzmocnionych krótkimi włóknami szklanymi w warunkach zmęczenia materiału

Tworzywa termoplastyczne wzmocnione włóknami krótkimi znajdują coraz szersze zastosowanie w dziedzinach, w których występują obciążenia zmęczeniowe, takich jak na przykład przemysł motoryzacyjny czy produkcja urządzeń. Produkcja odbywa się tutaj metodą formowania wtryskowego, przy czym w zależności od procesu na grubości ścianki powstaje rozkład orientacji włókien. Ta niejednorodna anizotropia utrudnia analizę uszkodzeń, ponieważ interakcje między warstwami powodują zależność od rozkładu włókien. Dzięki metodzie opracowanej w IKV możliwe jest jednak wytwarzanie próbek o jednorodnej, wysokim stopniu orientacji włókien, co pozwala na badanie mechanizmów uszkodzeń bez wpływu interakcji.

W celu zbadania zachowania zmęczeniowego termoplastów wzmocnionych krótkimi włóknami szklanymi połączono charakterystykę eksperymentalną, badania mechaniczne oraz symulację mikromechaniczną w taki sposób, aby mikrostruktura, obciążenie i parametry modelu mogły być spójnie odwzorowane w modelowaniu materiału. Badania przeprowadzono przy obciążeniu granicznym rozciągającym, dzięki czemu reakcja materiału jest uwarunkowana nie tylko cykliczną akumulacją uszkodzeń, ale jednocześnie zależnymi od czasu efektami lepkosprężystymi lub lepkoplastycznymi, co odzwierciedla praktyczny przypadek obciążenia w zastosowaniach konstrukcyjnych. Pełzanie podczas faz obciążenia nakłada się zatem na cykliczne uszkodzenia i wpływa na mikromechaniczny rozkład naprężeń i odkształceń, a tym samym również na rozwój uszkodzeń poprzez inicjację i wzrost pęknięć. Zbadano próbki na bazie politereftalanu butylenu (PBT) zawierające 10, 20 i 30% mas. włókien szklanych.

Kluczowym elementem metodologicznym było zastosowanie próbek o jednolitej orientacji włókien, aby uniknąć nakładania się kilku stanów orientacji na całej grubości, co jest typowe dla elementów formowanych wtryskowo metodą konwencjonalną. Mikrostrukturę zarejestrowano za pomocą tomografii mikrokomputerowej (µCT) i opisano ilościowo za pomocą tensorów orientacji włókien. Dzięki temu możliwe było przeprowadzenie badań materiałowych na poziomie mezoskopowym na próbkach o zdefiniowanym stanie orientacji, bez zakłóceń procesów uszkodzeniowych spowodowanych oddziaływaniami między różnymi orientacjami.

Jako preferowane miejsca początkowe uszkodzeń zidentyfikowano końcówki włókien, co jest zgodne z lokalnymi skupiskami naprężeń oraz tworzeniem się skupisk mikrouszkodzeń w ich otoczeniu. Natomiast skrzyżowania włókien bez ich końców nie odgrywają konsekwentnie krytycznej roli, więc ich znaczenie zależy w większym stopniu od lokalnej konfiguracji. Jakościowe porównanie z symulacjami mikromechanicznymi potwierdza tę interpretację. Podejście Phase-Field-Fracture odtwarza położenie typowych miejsc uszkodzeń oraz charakterystyczne ścieżki pękania w matrycy, umożliwiając w ten sposób oparte na zasadach mechaniki zaklasyfikowanie zaobserwowanych wzorów uszkodzeń.

W ten sposób można dokładniej określić kluczowe mechanizmy inicjacji uszkodzeń oraz ich późniejszego rozwoju pod wpływem obciążenia rozciągającego poniżej progu. Wyniki te stanowią punkt wyjścia do systematycznej kwantyfikacji wpływu określonych orientacji włókien i cech mikrostrukturalnych w przyszłych badaniach oraz do przełożenia tych wyników na modele trwałości oparte na mikrostrukturze.

Prace zostały sfinansowane w ramach projektu HO 4776/82-1 przez Niemiecką Wspólnotę Badawczą (DFG).

Formowanie na gorąco częściowo usieciowanych systemów żywic epoksydowych

Plastyczność częściowo usieciowanych duroplastów otwiera nowe możliwości późnego kształtowania elementów z kompozytów włóknistych po procesie formowania wstępnego. Jednak dotychczas możliwości te nie były wykorzystywane w sposób systematyczny. W szczególności brakuje wiarygodnego zakresu procesowego, który określałby dopuszczalny stopień odkształcenia w zależności od temperatury, stopnia sieciowania i zawartości włókien. W związku z tym IKV zamierza w ramach nowego projektu badawczego zidentyfikować warunki, w których częściowo usieciowane masy formierskie można w sposób powtarzalny i bez uszkodzeń strukturalnych poddawać obróbce plastycznej na gorąco, a następnie wywnioskować z tego kryteria ich zastosowania przemysłowego. W tym celu uwzględniono łańcuch procesowy składający się z początkowego formowania, przechowywania i procesu obróbki plastycznej, a także końcowej fazy sieciowania.

Półprodukty wytwarzane w procesach niskociśnieniowych i metodą pultruzji są produkowane z określonym stopniem sieciowania i charakteryzowane pod kątem ich właściwości termiczno-mechanicznych. Kluczowe parametry, takie jak rozciągliwość, relaksacja naprężeń i stabilność kształtu po wyprodukowaniu półproduktu, są określane eksperymentalnie. Dodatkowo stosuje się analizy dynamiczno-mechaniczne oraz metody badań mechaniki strukturalnej w celu ilościowego określenia zachowania lepkosprężysto-plastycznego. Wyniki eksperymentalne stanowią podstawę dla modeli materiałowych, które mają realistycznie opisywać przejście od stanu odkształcenia sprężystego do plastycznego (rys. 1). Dzięki ciągłemu porównywaniu modelu z danymi eksperymentalnymi wyznaczana jest wiarygodna przestrzeń parametrów, która umożliwia identyfikację odpowiedniego okna odkształcania. Równolegle opracowywane są podejścia metodologiczne mające na celu określenie odpowiedniego stopnia sieciowania podczas produkcji półproduktów.

Prace są wspierane przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii (BMWE) w ramach projektu IGF nr 24012 N.

Symulacje numeryczne z wykorzystaniem sieci neuronowych do metamodelowania w procesie tłoczenia

Podczas formowania tłocznego termoutwardzalnych tworzyw wzmocnionych włóknami długowłóknistymi przepływ materiału zmienia pierwotną orientację włókien w półproduktach. Aby precyzyjnie dostosować element konstrukcyjny do przyszłego obciążenia, należy tak dobrać zarówno położenie włókien, jak i geometrię półproduktu, aby uzyskać rozkład orientacji włókien odpowiedni do obciążenia. Taki projekt oparty na symulacjach numerycznych jest niezwykle wymagający obliczeniowo i czasochłonny ze względu na wysoką złożoność zachowania materiału i procesu. W związku z tym IKV zbadało, w jaki sposób sztuczne sieci neuronowe typu feedforward mogą być wykorzystywane jako metamodele w celu opracowania wydajnych modeli prognostycznych.

W centrum prac badawczych znalazły się podstawowe zagadnienia dotyczące optymalnej architektury modelu, doboru i dostosowania hiperparametrów, odpowiedniej parametryzacji wielkości wejściowych i wyjściowych, a także oceny wymaganych ilości danych. Ponadto zbadano różne strategie generowania danych szkoleniowych, systematycznego planowania eksperymentów oraz podziału danych na zbiory danych szkoleniowych, walidacyjnych i testowych (rys. 2). Kolejnym ważnym zagadnieniem było sztuczne rozszerzenie bazy danych w celu zwiększenia odporności modelu i poprawy jakości jego prognoz. Porównano podejście jednoetapowe, w którym struktura sieci bezpośrednio odzwierciedla korelację między pozycją włożenia a wynikającym odchyleniem elementu, oraz model dwuetapowy, który dodatkowo uwzględnia powstające fronty przepływu, a tym samym głębiej osadza mechanizmy fizyczne w modelu.

W ramach strategii systematycznego planowania eksperymentów, na podstawie przeglądu literatury wybrano i porównano dwa najbardziej obiecujące podejścia do tworzenia planów eksperymentalnych: ortogonalna matrica Taguchi oraz Latin Hypercube Sampling (LHS) jako układ wypełniający przestrzeń.

W przypadku obu planów eksperymentalnych, w oparciu o parametryzację pozycji wkładania i geometrii (gwiazda wypukła) za pomocą dziesięciu zmiennych, wygenerowano obszerny zbiór danych o podobnej wielkości w ramach numerycznych symulacji tłoczenia. Badania wykazały, że modele, które zostały wytrenowane na zbiorze danych Taguchi, początkowo osiągają bardzo wysoką jakość. Jeśli jednak ten sam model zostanie zweryfikowany na danych spoza planu eksperymentalnego, jakość modelu drastycznie spada, co wskazuje na silne nadmierne dopasowanie do specyficznej struktury projektu Taguchi, a także na niewystarczające pokrycie przestrzeni parametrów. Ogólnie wyniki te pokazują, że wybór planu eksperymentalnego ma decydujący wpływ na uogólnialność i praktyczną przydatność metamodelu.

Metodologia opracowana w ramach projektu w sposób poglądowy pokazuje potencjał sztucznej inteligencji w dziedzinie technologii tworzyw sztucznych, a jednocześnie wyzwania związane z jej wdrożeniem. Powstały metamodel można stosować niezależnie od rodzaju materiału i geometrii elementu. W zakresie parametrów objętych zbiorem danych szkoleniowych można go niezawodnie wykorzystywać do optymalizacji, ponieważ prognozy modelu dobrze odpowiadają wartościom docelowym uzyskanym w wyniku symulacji numerycznej. Nie dotyczy to jednak jakości modelu poza tym początkowym zakresem parametrów, co pozostaje przedmiotem przyszłych badań.

Prace zostały sfinansowane w ramach projektu HO 4776/74-1 przez Niemiecką Wspólnotę Badawczą (DFG).