Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beschleunigte Lebensdauervorhersage kurzglasfaserverstärkter Thermoplastbauteile auf Basis von Wöhlerversuchen

Die Lebensdauervorhersage kurzglasfaserverstärkter Kunststoffbauteile gewinnt aufgrund des zunehmenden Einsatzes für technisch anspruchsvolle Bauteile mehr und mehr an Bedeutung. Zur Ermittlung der Lebensdauer werden bisher meist zeit- und kostenintensive Bauteilwöhlerversuche durchgeführt. Durch den Einsatz geeigneter Simulationsmethoden können die Anzahl teurer Bauteilversuche reduziert, aufwendige Iterationen vermieden sowie Entwicklungsprozesse beschleunigt werden. Die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens kurzglasfaserverstärkter Kunststoffe ist allerdings mit einem sehr hohen experimentellen Aufwand verbunden.

Daher ist das Ziel dieses Vorhabens, eine Methode zur beschleunigten Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens kurzglasfaserverstärkter Thermoplastbauteile auf Basis von Wöhlerversuchen zu erarbeiten und zu validieren. Dadurch werden insbesondere bei KMU die Hemmnisse bzgl. der Ermittlung des Lebensdauerverhaltens ausgeräumt und die Anwendung einer Lebensdauervorhersage ermöglicht.

Dazu werden neben konventionellen Wöhlerversuchen mit einer niedrigen Frequenz beschleunigte Wöhlerversuche mit erhöhter Frequenz und gesteigertem Wärmeabtransport durchgeführt. Zusätzlich wird ein Konzept zur Normierung unterschiedlicher Wöhlerkurven erarbeitet. Durch diese relative Beschreibung mit Hilfe einer Masterkurve kann der Versuchsaufwand deutlich reduziert werden. Das so ermittelte Ermüdungsverhalten lässt sich anschließend mit Hilfe der FEM und einer geeigneten Äquipotenzialbedingung auf beliebige Bauteilgeometrien übertragen. Dazu wird im Anschluss an eine Füllsimulation zur Berechnung der lokal unterschiedlichen Faserorientierungen die Bauteilbelastung in einer integrativen Struktursimulation simuliert. Aus dieser Belastung wird anschließend mit Hilfe einer Äquipotenzialbedingung auf die Lebensdauer geschlossen. Die Methode wird abschließend an einer praxisrelevanten Bauteilgeometrie validiert.

Ergebniszusammenfassung:

Spritzgegossene kurzglasfaserverstärkte Bauteile sind in vielen Anwendungsfällen auch dynamischen-zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt. Zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens werden neben kostenaufwendigen Bauteilwöhlerversuchen an seriennahen Prototypen zunehmend Wöhlerversuche an Probekörpern durchgeführt. Diese Charakterisierung bedeutet einen hohen Zeitaufwand und damit verbunden hohe Kosten, ist jedoch für den betrachteten Werkstoff nur einmalig durchzuführen und kann dann auf viele unterschiedliche Anwendungen übertragen werden. Aufgrund des großen Einsatzpotenzials dieser Werkstoffkennwerte bei noch geringer Verbreitung im Vergleich zu quasi-statischen Kennwerten hat sich dieses Forschungsvorhaben auf die Beschleunigung und werkstoffgerechte Durchführung von Wöhlerversuchen zur Charakterisierung eines Werkstoffs fokussiert. Durch die Analyse des viskoelastischen Materialverhaltens konnten verschiedene Strategien entwickelt werden, einerseits den Prüfumfang zu reduzieren und andererseits die Prüffrequenz gezielt zu erhöhen. Für den betrachteten Werkstoff kann die Gesamtprüfdauer mit diesem Konzept von ca. 52 Tagen bei konventioneller Charakterisierung auf ca. 13 Tage gesenkt werden. Die Erweiterung einer integrativen Simulationsmethode zur Lebensdauervorhersage ermöglicht zudem den Einsatz der Ermüdungsdaten für die exemplarische Abschätzung der Lebensdauer eines Modellbauteils. Der Einsatz einer solchen Methode stellt einen weiteren wichtigen Aspekt zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses eines sicherheitsrelevanten Bauteils dar.