Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer integrativen Simulationskette zur Abbildung des Deformations- und Versagensverhaltens langglasfaserverstärkter Kunststoffe unter stoßartiger Beanspruchung

Spritzgegossene langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) setzten sich aufgrund ihres im Vergleich zu kurzfaserverstärkten Thermoplasten (SFT) verbesserten Festigkeits- und Impactverhaltens zunehmend bei crashrelevanten, mechanisch hoch beanspruchten Bauteilen durch. Aufgrund ihres Eigenschaftsprofils bilden diese Werkstoffe mögliche Lösungen für Anwendungen, die zuvor endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit duroplastischer Matrix vorbehalten waren. Bedingt durch deren Verarbeitung im Spritzgießprozess bieten LFT-Werkstoffe jedoch erhebliche wirtschaftliche Vorteile.

Den Vorteilen der LFT auf Seiten der Verarbeitung, der Wirtschaftlichkeit und der im Vergleich zu SFT verbesserten mechanischen Eigenschaften stehen Nachteile im Bereich der numerischen Auslegung mithilfe der FEM gegenüber. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang die Crashberechnung von LFT-Werkstoffen die mit den heute zur Verfügung stehenden Mitteln nur sehr eingeschränkt möglich ist.

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher der Aufbau eines integrativen Berechnungs-ansatzes zur numerischen Bauteilauslegung von LFT-Werkstoffen unter Crashbeanspruchung. Hierzu werden ein benutzerdefiniertes Materialmodell sowie ein Ansatz zur Kalibrierung des Modells entwickelt.

Durch die Abbildung des anisotropen dehnratenabhängigen elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens von LFT-Werkstoffen bis zum Versagen ist eine gezielte Auslegung spritzgegossener langglasfaserverstärkter Kunststoffbauteile für crashrelevante Anwendungen möglich. Dadurch kann der Aufwand bei der Auslegung von LFT-Bauteilen für Ingenieurdienstleiter, die heute vor allem dem Bereich der KMU zuzuordnen sind, deutlich reduziert, das Potential des Werkstoffes effektiver ausgenutzt und die Kosten für einen Entwicklungsprozess gesenkt werden.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurde ein integratives Berechnungsverfahren entwickelt, das die Auslegung von LFT-Werkstoffen unter Crashbelastung unter Berücksichtigung des Herstellungsprozesses ermöglicht. Als relevante prozessseitige Einflussgrößen auf das mechanische Werkstoffverhalten wurden die lokale Faserorientierungsverteilung (FOV), die sich aufgrund progressiven Faserbruchs im Bauteil einstellende Faserlängenverteilung (FLV) und die bei langen Fasern beobachtete Faserkrümmung berücksichtigt. Zur Abbildung des Werkstoffverhaltens wurde ein Materialmodell entwickelt, dass das anisotrope dehnratenabhängige elastisch-plastische Werkstoffverhalten von LFT unter Berücksichtigung der FOV, der FLV und der Faserkrümmung mithilfe eines mikromechanischen Homogenisierungsansatzes abbildet. Das Materialmodell wurde exemplarisch in das kommerziell verfügbare FE-Programm ABAQUS/Standard implementiert. Anhand der kommerziell verfügbaren strömungsmechanischen Füllsimulation Autodesk Moldflow Insight lässt sich die lokale FOV simulativ vorhersagen und mithilfe einer eigens entwickelten Schnittstelle in die strukturmechanische Simulation übertragen. Zur Demonstration der Übertragbarkeit des aufgebauten Modellierungsansatzes auf praxisrelevante Bauteile und Lastfälle wurden Validierungsuntersuchungen an einem praxisnahen Modellbauteil durchgeführt. Das mechanische Verhalten des Bauteils konnte in guter Übereinstimmung zu den Messungen simulativ nachgestellt werden.