Nonlinear analysis of injection molded, short fiber reinforced, polymer structures

Plastics have unique properties and versatile processing methods thanks to their peculiar molecular structure. Due to these properties, an unmatched design freedom is provided to engineers, which permits the development of complex and lightweight components at an incomparable price. Moreover, short glass fiber reinforced thermoplastics exist that are meant for applications requiring high performance characteristics. Nevertheless, material response often is strongly nonlinear and anisotropic. This fact leads to an additional challenge, which involves advanced simulation techniques and deep process knowledge. This master thesis deals with that challenge in an industrial context, as at Röchling Automotive a large amount of fiber-reinforced thermoplastics is processed. A specific crystalline polypropylene composite, PPGF35, is selected and further investigated, due to its broad application spectrum and appealing performance to cost ratio. As this material substitutes the stronger (but more expensive) polyamide in some vehicle applications, accurate knowledge of its properties is implied. Thus, the main objective of this thesis is to create a nonlinear and anisotropic material model, which improves structural simulation results that are usually based on an isotropic approach. Coupling of process simulation, which delivers information on fiber orientation, and structural simulation is carried out through a dedicated software called Digimat. For this aim, an anisotropic material characterization is necessary, which considers the strong effect of fiber alignment on the overall behavior of a component. In addition, data for future applications in hot engine compartments are collected and analyzed. For matters of validation, the model is tested on a critical component, a SCR – tank filler head, which underlies a strict international standard on mechanical resistance. The so obtained results are critically evaluated, by comparing them to the isotropic simulation, and conclusions are drawn on the suitability of such an advanced simulation approach in the automotive context.

Le materie plastiche hanno proprietà uniche e metodi di lavorazione versatili, grazie alla loro peculiare struttura molecolare. A causa di queste proprietà, agli ingegneri viene offerta una libertà di progettazione senza pari che permette loro di sviluppare componenti complessi e leggeri ad un prezzo incomparabile. Inoltre, esistono materiali termoplastici rinforzati con fibre di vetro corte, pensati per applicazioni che richiedono elevate proprietà meccaniche. Tuttavia, la risposta del materiale spesso è fortemente non lineare e anisotropa. Ciò propone una sfida aggiuntiva che implica tecniche di simulazione avanzate e una profonda conoscenza del processo produttivo. Questa tesi affronta la suddetta sfida dall’ottica di un contesto industriale, poiché presso Röchling Automotive viene lavorata una grande quantità di materiali termoplastici rinforzati con fibre. Uno speciale composito di polipropilene ad alta cristallinità, PPGF35, è stato selezionato per essere ulteriormente studiato, dato il suo ampio spettro di applicazioni ed al suo attraente rapporto costo - prestazioni. Poiché questo materiale sostituisce la più resistente, ma anche più costosa, poliammide in alcune applicazioni veicolari, è implicita una conoscenza accurata delle sue caratteristiche. Pertanto, l'obiettivo principale di questa tesi è quello di creare un modello materiale non lineare e anisotropo, con il quale migliorare le simulazioni strutturali originariamente realizzate con modelli isotropi. L'accoppiamento della simulazione di processo, che fornisce informazioni sull'orientamento della fibra, e la simulazione strutturale viene effettuato attraverso un software dedicato, chiamato Digimat. A tale scopo, è necessaria una caratterizzazione del materiale che consideri il forte effetto che l'allineamento delle fibre esercita sul comportamento di un componente. Inoltre, dati aggiuntivi vengono raccolti e analizzati, per eventuali applicazioni future all’interno del vano motore, a cui questo materiale è destinato. Per questioni di validazione, il modello materiale viene testato su un componente critico, una testa di riempimento per serbatoi SCR, che è soggetta ad un rigido standard internazionale per la resistenza meccanica. I risultati così ottenuti vengono infine valutati criticamente, confrontandoli alla simulazione isotropa, e sarà discussa l'idoneità di un tale approccio di simulazione per l’industria automotive.