Integrated prediction of processing and thermomechanical behavior of long fiber thermoplastic composites

Abstract

Long fiber reinforced thermoplastic composites (LFT), are one of the fastest growing segments in the plastics markets. The use of these materials has been increasing, especially in the automotive industry, due to their excellent specific mechanical properties (stiffness, strength and impact resistance), corrosion resistance and design flexibility. A highly efficient manufacturing process to fabricate LFT composites is injection molding. It has the advantages of a short production cycle, yielding excellent surfaces, and ease of molding complex shapes. Intrinsic to this process is the induced fiber breakage in the final part, which is reflected in variations of the mechanical properties throughout the part geometry. The strong influence of the fiber breakage on the ultimate properties complicates their control. Therefore, predictive measures that enable part performance prediction at an early stage in the design process are of special importance. The main objective of the experimental investigation described in this thesis was to develop and implement knowledge that will lead to an integrated route to predict fiber breakage of LFTs, utilising and combining existing predictive software. The selected material was long glass fiber reinforced polypropylene. Rectangular plates were produced by conventional injection molding, varying processing and geometrical parameters. As a result, moldings with different fiber lengths were obtained. The morphology of the parts was characterized by fiber length measurements. Due to the lack of standard method for fiber length measurements and the fact that existing techniques are not suitable for LFT composites, a new method for automatic length measurements was developed. The mechanical response of the molded parts was evaluated by means of falling dart impact penetration energy and tensile isotropic modulus calculations, which were identified as the most adequate tests for characterizing LFT materials. The relationships between processing conditions, morphological response and resulting mechanical performance of the investigated LFT composites were outlined. Moldflow simulation package was employed to simulate the thermomechanical environment during processing. An external sub-routine, which uses output data from Moldflow, was developed to characterize the shear history of the material during processing. Quantitative information about the influence of the imposed shear history on the fiber attrition was obtained by Couette flow experiments. Based on that information, prediction of fiber breakage along the flow path was performed. The possibilities for integrating the fiber breakage into predictive software were also investigated.

Os compósitos reforçados com fibras longas de vidro (LFT) são um dos segmentos do mercado dos plásticos com maior crescimento. O uso destes materiais tem aumentado, especialmente na indústria automóvel, devido às suas excelentes propriedades mecânicas (rigidez, resistência, resistência ao impacto), resistência à corrosão e flexibilidade de concepção. A técnica mais eficiente de processamento destes materiais é a moldação por injecção. O processo oferece várias vantagens tais como reduzidos ciclos de produção, excelente acabamento superficial e fácil moldação de formas complexas. Durante este processo é a induzida quebra de fibra no produto final, que determina nas variações das propriedades mecânicas em função da geometria da peça. A grande influência da quebra da fibra nas propriedades finais complica o seu controle, dando importância especial às ferramentas que permitam prever o comportamento da peça numa fase inicial do seu desenvolvimento. O principal objectivo deste trabalho de investigação foi desenvolver e implementar conhecimento que conduzirá à previsão da quebra de fibra em LFTs, utilizando códigos computacionais de previsão. O material seleccionado foi o polipropileno, reforçado com fibras longas de vidro. Placas rectangulares foram produzidas por moldação por injecção convencional, variando as condições de processamento e os parâmetros geométricos da peça. Foram obtidas placas contendo fibras de vários comprimentos. A morfologia das moldações foi caracterizada por medições do comprimento da fibra. Devido à falta de um procedimento normalizado para as medições do comprimento da fibra e o facto de que as técnicas existentes não são apropriadas para LFTs, um novo método de medição foi desenvolvido. A resposta mecânica das peças produzidas foi avaliada por ensaios de impacto e cálculos de módulo de elasticidade isotrópico. As relações entre as condições de processamento, a morfologia e o desempenho mecânico foram estabelecidas. O ambiente termomecânico durante o processamento foi simulado com ajuda do programa Moldflow. Uma sub-rotina externa, utilizando variáveis de saída do Moldflow, foi desenvolvida para caracterizar a história dos esforços de corte aplicados ao material. Informação quantitativa sobre a influência da taxa de corte acumulada na quebra de fibra foi obtida através de ensaios reológicos (Couette). Baseado nessa informação, as previsões de quebra de fibra ao longo do comprimento do fluxo foram feitas. As possibilidades de integrar a quebra de fibra no software de simulação também foram investigadas.