Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermüdung kurzfaserverstärkter thermoplastischer Polymerwerkstoffe

Kurzfaserverstärkte Thermoplaste spielen im Automobilsektor insbesondere der durch KMU geprägten Zulieferindustrie eine zunehmend wichtigere Rolle. Sie bieten den Vorteil einer Verarbeitung in großserienfähigen Verfahren. Zudem kann eine hohe Bauteilkomplexität und damit die Gestaltung hochintegrierter Bauteile realisiert werden.

Die Bewertung von Bauteilen aus solchen Werkstoffen im Hinblick auf ihre Ermüdung erfolgt bislang meist in Anlehnung an die eingeführten Methoden aus dem Bereich metallischer Werkstoffe. Ein abgesichertes, auf die Besonderheiten kurzfaserverstärkter Thermoplaste abgestimmtes Konzept besteht bisher nur in Ansätzen. Dies betrifft insbesondere die adäquate Berücksichtigung der Einflüsse von Faserorientierung, Temperatur, überlagerter Kriechdeformation und anisotroper Kerbeinflüsse.

Das Ziel des Projekts ist die Bereitstellung abgesicherter Berechnungsmodelle zur Bestimmung der Materialermüdung. Hierzu wird ein kombiniert experimentell-numerischer Lösungsweg verfolgt. Zunächst erfolgt eine experimentelle Untersuchung der grundlegenden Schädigungseffekte an Laborproben. Diese Versuche werden durch Bauteilversuche ergänzt. Auf dieser Basis wird ein Schädigungsmodell entwickelt u. in ein kommerzielles FE-Programm implementiert. Als effiziente Alternative wird eine rein im Postprocessing zu verwendende Schadensakkumulationshypothese erarbeitet.

Die Thematik ist insbesondere für die durch KMU geprägte Zulieferindustrie von großer Bedeutung, da diese Unternehmen in zunehmendem Maße die Produktverantwortung für die von ihnen gelieferten Bauteile übernehmen müssen, jedoch oft nur über eine eingeschränkte Simulationskompetenz verfügen. Durch das vorgeschlagene Projekt soll ihnen ein abgesichertes, handhabbares u. zuverlässiges Werkzeug zur Vorhersage der Lebensdauer kurzfaserverstärkter Thermoplaste in die Hand gegeben werden, das in einer mehrstufigen Formulierung für erste Auslegungen u. aufwändigere hochgenaue Analysen gleichermaßen geeignet ist.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des aktuellen Projekts war die Analyse und Modellierung des Betriebsverhaltens kurzfaserverstärkter Thermoplaste unter zyklischer Ermüdungslast und statischer Langzeitbelastung (Kriechen). Die Arbeiten erfolgten am Beispiel des kurzglasfaserverstärkten Polyamids PA66GF35. Dabei wurde soweit als möglich auf vorhandene experimentelle Ergebnisse aus der Literatur zurückgegriffen, die entsprechend ergänzt wurden.

Auf der Basis der experimentellen Beobachtungen in den Coupon-Versuchen wurde ein Kontinnumsschädigungsmodell formuliert. Dieses basiert auf einem orthotrop linear elastischen Ansatz im Materialhauptachsensystem, bei dem die elastischen Konstanten durch eine Schädigungsvariable degradiert werden.

Das Modell wurde abgestuft umgesetzt: Zum einen wurde das Modell direkt als benutzerdefiniertes Materialmodell in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm (ABAQUS) implementiert. Als numerisch effizientere Alternative kann das Modell dabei auch mit berechneter, jedoch nicht auf die Materialsteifigkeit wirkender Schädigung verwendet werden. Die Materialberechnung erfolgt dabei rein linear elastisch, die Schädigung steht jedoch als zusätzliche Ausgabegröße und damit zur Integritätsanalyse zur Verfügung. Neben diesen direkten Formulierungen erfolgte die Umsetzung als Postprocessingroutine. Diese lässt auf der Basis einer rein linear elastischen quasi-statischen Finite-Elemente-Berechnung eines Bauteils dessen Ermüdungsbewertung im Sinne einer erweiterten Miner-Regel auf der Basis des Schädigungsmodells zu.