Numerical Multiphysics CFD Modelling of Porosity Evolution in Thermoset Prepreg Microstructures

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:For researchers in composites manufacturing, this provides a novel numerical tool for void evolution prediction in realistic microstructures.

🏢実務担当者:Manufacturing engineers in aerospace can use the model to optimize cure cycles and reduce porosity, improving production efficiency and material performance.

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）は航空宇宙産業に不可欠であり、優れた比強度を提供する。現在、標準的なオートクレーブ硬化による一次構造の製造は、欠陥を最小限に抑え、気孔率を臨界閾値（通常1％未満）以下に保つ、堅牢で確立されたプロセスである。その結果、気孔率は一般的に、標準的で最適化された生産ラインでは問題とは見なされていない。しかしながら、この安定性は、生産速度の向上とコスト削減を目的とした新たな産業パラダイムによって影響を受ける可能性がある。急速な加熱速度、短縮された硬化サイクル、新しい製造プロセスを特徴とする加速製造への移行、および複雑な材料アーキテクチャの導入は、重大な気孔率を再導入するリスクをもたらす。並行して、これらの複雑な条件下での気孔の形成と進展を正確に予測できる数値モデルは現在存在しない。既存のシミュレーションアプローチは通常、巨視的であり、均質化された多孔質媒体の仮定に依存しており、気泡と繊維の間の本質的な微視的相互作用を捉えることができない。このギャップに対処するため、本研究は、既存のOpenFOAMフレームワーク上に構築された、拡張されたカスタム多物理計算流体力学（CFD）ソルバーを提示する。目標は、現実的な微細構造内でのボイド進展のための最初の予測ツールを提供することである。数値フレームワークは、二相圧縮性流れモデルと熱硬化性樹脂硬化の完全な熱-化学-レオロジー物理を結合する。ソルバーは、プリプレグプライの2次元代表体積要素（RVE）に適用される。標準的なオートクレーブサイクルのシミュレーションは、ソルバーが微視的ダイナミクスを捉える能力を示し、樹脂粘度低下中にボイドがどのように圧縮され輸送され、その後ゲル化時に凍結されるかを示した。3バールと7バールの圧力を比較するパラメトリック研究は、ボイド体積減少を予測するモデルの物理的能力を確認した。現在は機械的圧縮に焦点を当てているが、このツールは将来の製造サイクルの開発を支援するように設計されている。将来の研究では、水分拡散物理を組み込み、X線マイクロトモグラフィーおよびその場シンクロトロンモニタリングによる実験的検証を含む。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) are essential to the aerospace industry, offering superior strength-to-weight ratios. Currently, the manufacturing of primary structures via standard autoclave curing is a robust, mastered process that successfully minimizes defects, keeping porosity levels below critical thresholds (typically < 1 %). Consequently, porosity is generally not considered as an issue in standard, optimized production lines.However, this stability may be affected by emerging industrial paradigms aimed at increasing production rates and reducing costs. The shift toward accelerated manufacturing – characterized by rapid heating rates, shortened cure cycles and by new manufacturing processes – and the introduction of complex material architectures risk re-introducing significant porosity. In parallel, there is currently no numerical model capable of accurately predicting porosity formation and evolution under these complex conditions. Existing simulation approaches are typically macroscopic and rely on homogenized porous media assumptions, failing to capture the essential micro-scale interactions between bubbles and fibres.To address this gap, this study presents an extended, custom multi-physics Computational Fluid Dynamics (CFD) solver built upon an existing OpenFOAM framework. The goal is to provide the first predictive tool for void evolution within realistic microstructures. The numerical framework couples a two-phase compressible flow model with the complete thermo-chemo-rheological physics of thermoset curing.The solver is applied to 2D Representative Volume Elements (RVEs) of a prepreg ply. Simulations of a standard autoclave cycle demonstrated the solver's ability to capture micro-scale dynamics, showing how voids are compressed and transported during the resin viscosity drop before being frozen at gelation. A parametric study comparing 3-bars and 7-bars pressures confirmed the model's physical ability in predicting void volume reduction.While currently focused on mechanical compression, the tool is designed to support the development of future manufacturing cycles. Future work will incorporate moisture diffusion physics and includes experimental validation via X-ray micro-tomography and in-situ synchrotron monitoring.

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