Digitalizácia a simulácia vysokovýkonných uhlíkových vlákien SMC
Nov 18, 2024
Pri spracovaní plastov vystužených vláknami (FRP) sú podrobné informácie o výrobnom procese veľmi dôležité pre procesnú kontrolu a kontrolu kvality. V dôsledku toho sú dnešné spracovateľské zariadenia vybavené sofistikovanými senzorovými systémami na monitorovanie rôznych parametrov procesu, ako je teplota, tlak alebo rýchlosť spracovania.
Avšak miestne vlastnosti materiálu, ako je zloženie živice/matrice, obsah pórov, obsah vlákien, distribúcia a orientácia, sú najdôležitejšie na zohľadnenie charakteristík finálnej časti. V tomto dokumente sa ako príklad používa plast vystužený uhlíkovými vláknami (C-SMe), termosetový kompozit, ktorý ilustruje, ako možno informácie o lokálnej orientácii vlákna zbierať online počas procesu výroby materiálu na vytvorenie digitálneho obrazu polotovaru. - hotový výrobok. Informácie z digitálneho obrazu možno použiť na riadenie procesov a hodnotenie kvality v reálnom čase.
Okrem toho je možné tieto informácie použiť offline na generovanie vstupných údajov materiálového modelu a následných simulácií výrobného procesu, čo vedie k presnejším predpovediam mechanických vlastností budúcich dielov.
C-SMC procesný reťazec na výrobu polotovarov
Aby sa vytvoril digitálny obraz C-SMC polotovaru, je potrebné počas výrobného procesu v reálnom čase zaznamenávať orientáciu vlákien. Leibniz-Institut fur Verb undwerkstoffe GmbH (IVW) na tento účel používa systém optického snímania obrazu nazývaný polarizačné zobrazovanie. Systém využíva polarizačné vlastnosti povrchu uhlíkového vlákna na dopadajúce nepolarizované svetlo. Polarizačná kamera zachytáva odrazené polarizované svetlo a potom ho digitalizuje, aby interpretovala informácie o orientácii vlákna z nespracovaných údajov.
Aby bol zaistený jasný pohľad na pôdorys rozptýlených vlákien, je polarizačná kamera umiestnená priamo za rezačkou. Kamera potom zachytáva snímky materiálu v zornom poli v predpísaných časových intervaloch a vytvára tak hromadu snímok. Tieto obrázky sa kombinujú, aby vytvorili súvislý celkový obraz polotovaru kotúča.
Nespracované údaje zachytené kamerou sa priamo prevedú na požadovanú intenzitu svetla zložky obrazu, stupeň lineárnej polarizácie (DOLP) a uhol lineárnej polarizácie (AOP) prostredníctvom hardvérového vyhodnocovacieho softvéru systému. Počas procesu digitalizácie kombinácia rôznych softvérových komponentov využíva tieto obrazové údaje na extrahovanie požadovaných informácií o orientácii vlákna.
Na zjednodušenie interpretácie je na obrázku 2 znázornený proces extrakcie údajov ako príklad s použitím už vylisovanej vzorky C-SMC. Pomocou intenzity osvetlenia obrazovej zložky a DOL P je možné zamaskovať všetky oblasti obrazu, ktoré nie sú polarizované alebo majú chyby obrazu, ako sú preexponované pixely.
Následné spracovanie digitálnych obrázkov. a) Digitálny obraz generovaný z nespracovaných dát (intenzita, DOLP, AOP) s tenzorom orientácie vlákna v odtieňoch šedej. b) Vyfarbite digitálny obrázok pre lepšiu vizualizáciu. c) Histogramy na vyhodnotenie anizotropie. d) Rastrovanie rozlíšenia FE modelu je základom pre určenie tenzora orientácie vlákna. e) Vizualizácia tenzora orientácie vlákna
Výsledkom je počiatočný obraz v odtieňoch šedej a), ktorý ukazuje uhol orientácie vlákna vizualizovaný v rovine obrazu. Farebné mapovanie možno použiť b) na zlepšenie analýzy ľudského oka a možno generovať histogramy, ktoré jasne ukazujú preferovanú orientáciu vlákna a anizotropiu
c). Ak sa ako základ pre výpočty a simulácie používajú digitálne obrázky, informácie o uhloch orientácie vlákien sú nedostatočné. Mnoho simulačných modelov používa tenzor orientácie vlákna (FOT) ako základ pre výpočty orientácie vlákna. FOT je symetrický tenzor druhého rádu, ktorý popisuje rozdelenie pravdepodobnosti orientácie vlákna v malom objeme. Vlastné hodnoty a vlastné vektory FOT možno použiť na určenie hlavnej orientácie vlákna.
Pretože FOT je distribúcia pravdepodobnosti, určenie uhla orientácie vlákna v pixeli obrazu nestačí na určenie tenzora. Preto sa na rovine obrazu vytvorí mriežka d) a FOT sa určí vyhodnotením obrazových pixelov v každom mriežková bunka. V e) je FOT každej bunky mriežky vyjadrená ako elipsoid. V tomto znázornení môže byť stupeň vyrovnania a anizotropie priamo hodnotený v ktoromkoľvek bode na meracom povrchu.
Hlavným cieľom vláknovo orientovaného digitálneho snímania obrazu polotovaru kotúča C-SMC je použiť ho na generovanie vstupných informácií pre následnú simuláciu procesu lisovania (obrázok 3). Po vykonaní procesu digitalizácie možno informácie FOT extrahovať kedykoľvek
miesto na vytvorenie digitálnej tabuľky poplatkov SMC.
áno. FOT jednotlivých rezov v náboji môže byť aplikovaný na jednotlivé prvky FE mriežky počas tohto procesu, alebo môže byť informácia aplikovaná na celú FE mriežku ako priemer homogenizácie.
To si nevyžaduje žiadny nový vývoj v oblasti simulačných metód, pretože mnohé simulačné metódy už používajú makroskopické modely založené na Folgarových a Tuckerových rovniciach na výpočet vývoja orientácie vlákien, a preto priamo využívajú informácie FOT.
Nakoniec, výsledky FOT simulácií lisovania môžu byť prenesené do ďalšej fázy digitálneho procesného reťazca, zvyčajne deformácie alebo štrukturálnej simulácie. Výsledkom je nepretržitý digitálny procesný reťazec založený na skutočných zaznamenaných údajoch z výroby materiálu.
