Digitalizzazione e simulazione di SMC ad alte prestazioni in fibra di carbonio
Nov 18, 2024
Nella lavorazione della plastica rinforzata con fibre (FRP), informazioni dettagliate sul processo di produzione sono molto importanti sia per il controllo di processo che per quello di qualità. Di conseguenza, le attuali apparecchiature di lavorazione sono dotate di sofisticati sistemi di sensori per monitorare vari parametri di processo come temperatura, pressione o velocità di lavorazione.
Tuttavia, le proprietà locali del materiale come la composizione resina/matrice, il contenuto di pori, il contenuto di fibre, la distribuzione e l'orientamento sono le più importanti per tenere conto delle caratteristiche della parte finale. In questo articolo, la plastica per stampaggio di fogli rinforzati con fibra di carbonio (C-SMe), un composito termoindurente, viene utilizzata come esempio per illustrare come le informazioni sull'orientamento locale delle fibre possono essere raccolte online durante il processo di produzione del materiale per generare un'immagine digitale del semilavorato. -prodotto finito. Le informazioni dell'immagine digitale possono essere utilizzate per il controllo del processo in tempo reale e la valutazione della qualità.
Inoltre, le informazioni possono essere utilizzate offline per generare dati di input del modello di materiale e simulazioni del processo di produzione a valle, portando a previsioni più accurate delle proprietà meccaniche delle parti future.
Catena di processo C-SMC per la produzione di prodotti semilavorati
Per creare un'immagine digitale di un semilavorato C-SMC, è necessario registrare in tempo reale l'orientamento delle fibre durante il processo di produzione. A questo scopo il Leibniz-Institut fur Verb undwerkstoffe GmbH (IVW) utilizza un sistema di acquisizione ottica delle immagini chiamato polarization imaging. Il sistema utilizza le proprietà di polarizzazione della superficie della fibra di carbonio per incidente luce non polarizzata. La fotocamera polarizzante cattura la luce polarizzata riflessa e quindi la digitalizza per interpretare le informazioni sull'orientamento della fibra dai dati grezzi.
Per garantire una visione chiara della pianta delle fibre sparse, la telecamera di polarizzazione è posizionata direttamente dietro la macchina da taglio. La fotocamera cattura quindi le immagini del materiale nel campo visivo a intervalli di tempo prestabiliti per formare una pila di immagini. Queste immagini vengono combinate per formare un'immagine complessiva continua del rotolo semilavorato.
I dati grezzi catturati dalla fotocamera vengono convertiti direttamente nell'intensità della luce della componente dell'immagine desiderata, nel grado di polarizzazione lineare (DOLP) e nell'angolo di polarizzazione lineare (AOP) attraverso il software di valutazione hardware del sistema. Durante il processo di digitalizzazione, una combinazione di diversi componenti software utilizza questi dati di immagine per estrarre le informazioni desiderate sull'orientamento delle fibre.
Per semplificare l'interpretazione, la Figura 2 mostra il processo di estrazione dei dati per un esempio utilizzando un campione C-SMC già pressato. Utilizzando l'intensità della luce della componente dell'immagine e DOL P, è possibile mascherare tutte le aree dell'immagine che non sono polarizzate o presentano difetti dell'immagine, come pixel sovraesposti.
Post-elaborazione delle immagini digitali. a) Immagine digitale generata da dati grezzi (intensità, DOLP, AOP) con tensore di orientamento delle fibre in scala di grigi. b) Colora l'immagine digitale per una migliore visualizzazione. c) Istogrammi per la valutazione dell'anisotropia. d) La rasterizzazione della risoluzione del modello FE è la base per determinare il tensore di orientamento della fibra. e) Visualizzazione del tensore di orientamento delle fibre
Il risultato è l'immagine iniziale in scala di grigi a), che mostra l'angolo di orientamento della fibra visualizzato nel piano dell'immagine. È possibile applicare la mappatura dei colori b) per migliorare l'analisi dell'occhio umano e generare istogrammi che mostrano chiaramente l'orientamento preferito delle fibre e l'anisotropia
c). Se le immagini digitali vengono utilizzate come base per calcoli e simulazioni, le informazioni sugli angoli di orientamento delle fibre sono insufficienti. Molti modelli di simulazione utilizzano il tensore dell'orientamento delle fibre (FOT) come base per i calcoli dell'orientamento delle fibre. Il FOT è un tensore simmetrico del secondo ordine che descrive la distribuzione di probabilità dell'orientamento delle fibre in un piccolo volume. Gli autovalori e gli autovettori della FOT possono essere utilizzati per determinare l'orientamento principale delle fibre.
Poiché FOT è una distribuzione di probabilità, specificare l'angolo di orientamento della fibra in un pixel dell'immagine da solo non è sufficiente per determinare il tensore. Pertanto, viene creata una griglia d) sul piano dell'immagine e il FOT viene determinato valutando i pixel dell'immagine all'interno di ciascuno cella della griglia. In e), il FOT di ciascuna cella della griglia è espresso come un ellissoide. In questa rappresentazione è possibile valutare direttamente il grado di allineamento e l'anisotropia in qualsiasi punto della superficie di misura.
Uno degli obiettivi principali dell'acquisizione di immagini digitali orientate alla fibra del rotolo semilavorato C-SMC è quello di utilizzarlo per generare informazioni di input per la successiva simulazione del processo di stampaggio a compressione (Figura 3). Dopo aver eseguito il processo di digitalizzazione, le informazioni FOT possono essere estratte in qualsiasi momento
posizione per creare una tabella digitale degli addebiti SMC.
SÌ. Durante questo processo il FOT delle singole riduzioni di tariffa può essere applicato ai singoli elementi della rete FE oppure le informazioni possono essere applicate all'intera rete FE come media dell'omogeneizzazione.
Ciò non richiede alcun nuovo sviluppo nel campo dei metodi di simulazione, poiché molti metodi di simulazione utilizzano già modelli macroscopici basati sulle equazioni di Folgar e Tucker per calcolare l'evoluzione dell'orientamento delle fibre, e quindi utilizzano direttamente le informazioni FOT.
Infine, i risultati FOT delle simulazioni dello stampaggio a compressione possono essere passati alla fase successiva della catena del processo digitale, solitamente la deformazione o la simulazione strutturale. Il risultato è una catena di processi digitali continua basata su dati reali registrati dalla produzione materiale.
