Theoretical approach on the mechanics of the orthogonal cutting of epoxy Carbon Fiber-Reinforced Polymers (CFRP) based on Finite Element Analysis (FEA)

Abstract

Die vorliegende Arbeit stellt eine numerische und theoretische Grundlage der Zerspanung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) auf Epoxidharzbasis beim orthogonalen Schnitt vor. Die Arbeit untersucht die Wechselwirkungen zwischen dem Zerspanungsprozess und den anisotropen Eigenschaften unidirektional (UD) und bidirektional (0°/90°) laminierter CFK-Strukturen mithilfe einer Finite-Elemente-Simulation. Der Zerspanungsprozess wurde anhand von zwei numerischen Modellierungsansätzen in zwei Größenordnungen untersucht: mikrostrukturbasierte Modelle (MSM) und äquivalent homogene Modelle (EHM). Anhand heterogener MSM konnten spezifische Verformungen und Bruchmechanismen für Variationen der Faserorientierung abgebildet werden. Die eingesetzten Werkstoffmodelle berücksichtigen die dynamischen Werkstoffeigenschaften von Epoxid für Dehnungsraten ≥ 1000 s 1. Auf MSM basierende Simulationen zeigen, dass die Scherdehnung des Matrixwerkstoffes maßgeblich die resultierende Oberflächenqualität beeinflusst. Des Weiteren hat die Erhöhung der Schneidkantenverrundung der Werkzeuge eine erhöhte Faserbiegung gezeigt, welche Matrixschädigungen während des Schnittvorgangs zur Folge hatte. Dieses Ergebnis untermauert die gängige Erkenntnis in der praktischen Fertigung von CFK-Bauteilen, dass sich durch den Einsatz scharfer Schneidwerkzeuge höhere Oberflächenqualitäten erzielen lassen. Letztendlich zeigten eine Erhöhung am Spanwinkel sowie der Einsatz asymmetrischer Schneidengeometrien eine Verbesserung auf die Oberflächenqualität. Makroskopische Simulationen, basierend auf EHM, haben Modellierungsschwächen hinsichtlich Delamination, Spanbildung und der Ermittlung von experimentell gemessenen Schnittkräften gezeigt. Dennoch gibt eine Sensitivitätsanalyse Hinweise auf die dominanten Material- und Bruchparameter beim orthogonalen Schneiden von bidirektional (0°/90°) laminierten CFK-Strukturen. Die erzielten Ergebnisse erlauben eine präzise Beschreibung der Möglichkeiten und Einschränkungen bei der Verwendung von EHM und MSM zur Untersuchung der Zerspanung von CFK. Außerdem sind weitere Forschungsthemen zur Weiterentwicklung der CFK-Bearbeitungstechnologie ausführlich beschrieben, die eine genauere Berücksichtigung der anisotropen Materialeigenschaften und die Verwendung computergestützter Analysen ermöglichen. This thesis provides a theoretical and numerical background on the mechanics of orthogonal cutting of epoxy-based carbon fiber-reinforced polymers (CFRP). The work examines the reciprocal interactions between the cutting process and the anisotropic properties of unidirectional (UD) and cross-ply (0°/90°) structures using finite element process simulations. The cutting process has been examined at two scales using two modeling approaches: microscopic structure models (MSM) and equivalent homogeneous models (EHM). Based on heterogeneous MSM, the main deformation and fracture mechanics, depending on the fiber orientation, are reproduced. The implemented material models consider the high-dynamic behavior of epoxy for strain rates ≥ 1000 s-1. The numerical results based on MSM show that the shear strain state of the epoxy affects substantially the resulting surface integrity. Moreover, the increase of the cutting edge radius causes an intensification of fiber bending and matrix damage during the cutting process. This result supports the widespread knowledge of the praxis, suggesting the use of sharp cutting tools to improve the surface quality. Furthermore, the use of cutting tools with large rake angles and asymmetrical cutting tools with a designs had a positive effect on the final surface integrity, which should be considered to improve the cutting process in the future. Macroscopic simulations based on EHM presented modeling limitations with respect to the reproduction of delamination, chip formations, and the estimation of the experimentally measured cutting forces. Nevertheless, a sensitivity analysis of the simulations models provides clues about the dominant material and fracture parameters during the orthogonal cutting of cross-ply CFRP. The obtained results allow a precise description of the possibilities and limitations using MSM and EHM for examining the machining of CFRP. Supplementary research topics are described in detail to encourage a more intensive consideration of the anisotropic material properties and computer-aided analysis for the further development of CFRP machining technology.