Schlüsseltechnologie der Zukunft

Leichtbau ist als Querschnittstechnologie entscheidend für die Reduktion des Energie- und Materialbedarfs und damit für den nachhaltigen wirtschaftlichen Erfolg von Unternehmen aus unterschiedlichsten Anwendungsbranchen.
Die Bedeutung von kunststoffbasierten Leichtbaukonzepten steigt aufgrund der geringen Werkstoffdichte und den herausragenden Verarbeitungs- und Gestaltungsmöglichkeiten dabei stetig und diese tragen maßgeblich zu einer nachhaltigen Wertschöpfung der Unternehmen bei.

Chancen für die Kunststoffindustrie

Die Kunststoffverarbeitung ermöglicht wie keine andere Technologie exzellente Möglichkeiten zur Kombination unterschiedlicher Werkstoffe: von Metallen, Thermoplasten, Duroplasten bis hin zu endlosfaserverstärkten Hochleistungswerkstoffen. Der kunststoffbasierte Leichtbau wird daher zukünftig zu einer ganzheitlichen und optimierten Form des funktionsintegrierten und hybriden Leichtbaus werden - mit Anwendungen über alle Anwendungen und Branchen hinweg.

Herausforderungen und Lösungen  ergeben sich dabei entlang der gesamten Prozesskette: von der gezielten Ausnutzung und Beschreibung des Werkstoffverhaltens, dem Einsatz der richtigen Produktionstechnologien, der gewichts- und eigenschaftsoptimierten Simulation und Bauteilauslegung bis hin zur Reparatur und dem Recycling von Leichtbaukomponenten. Die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit des IKV mit dem durch das IKV mitgegründeten Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) und den weiteren Forschungspartnern an der RWTH Aachen bildet hierbei den Schlüssel zum Erfolg.

Dipl.-Wirt.-Ing. Arne Böttcher

Abteilungsleiter Faserverstärkte Kunststoffe und Polyurethane +49 241 80 23884 arne.boettcher@ikv.rwth-aachen.de

Bei allen Fragen rund um die Themen Leichtbau und Faserverstärkte Kunststoffe stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung.

Interdisziplinäre Leichtbaulösungen

Die optimale Leichtbaulösung erfordert eine ganzheitliche und interdisziplinäre Betrachtung der gesamten Prozesskette unter werkstoffwissenschaftlichen und produktionstechnischen Aspekten. Dabei geht es nicht nur um die gezielte Kombination verschiedener Werkstoffe und Technologien. Eine Schlüsselrolle spielt vor allem die Erforschung von komplexen Fragestellungen durch verschiedene beteiligte Disziplinen. Gemeinsam werden Fragen und Problemstellungen an den Schnittstellen der jeweiligen Einzelprozesse aufgegriffen und deren Abhängigkeiten voneinander und Wechselwirkungen miteinander untersucht.

Zugehörige Forschungsprojekte am IKV

Das Projekt LightFlex erweitert in einer neuartigen Prozesskette das bisher durch kombinierte Umform- und Hinterspritzprozesse abbildbare Produktportfolio durch eine werkzeugungebundene Fertigung individualisierter TP-FVK Bauteile auf Basis von Rapid-Prototypingstrukturen und individuell angepassten, belastungsgerecht verstärkten Organoblechen. So soll die Bauteilentwicklung beschleunigt und dabei das Eigenschaftsprofil der Bauteile gegenüber herkömmlichen Additiv Manufacturingverfahren verbessert werden. Durch den werkzeugungebundenen Fertigungsansatz sind für die Bauteilentwicklung besondere Einsparungen im Bereich der Werkzeugtechnik zu sehen.

Im Rahmen der interaktiven Reparaturwerkstatt der Zukunft für CFK-Fahrzeuge wird ein hocheffizienter Reparaturablauf für zukünftige Fahrzeuggenerationen entwickelt. Der steigende Anteil an Hochleistungsfaserverbundkunststoffen in modernen Fahrzeugkonzepten führt bei heutigen Reparaturen zum Austausch ganzer Fahrzeugkomponenten oder einem hohen manuellen Aufwand von speziell ausgebildeten Fachkräften. Im Rahmen des Projekt wird eine automatisierte sensorbasierte Schadenserkennung und Evaluierung in der Werkstatt genutzt, um anschließend einen individuell gefertigten Reparaturpatch zu entwerfen. Der Patch wird in innovativen adaptiven Werkzeugen bei einem Dienstleister in Faserverbundbauweise gefertigt und an die Werkstatt als Ersatzteil geliefert. Somit wird die bereits bestehende Werkstattinfrastruktur für die Herausforderungen zukünftiger KFZ-Reparaturen gerüstet.

Zur effizienten und verschnittarmen Herstellung von komplexen semistrukturellen FVK Bauteilen wurde am IKV Aachen der Faserspritzprozess entwickelt. Dieser Prozess ermöglicht die Produktion von 3D Preforms zur Weiterverarbeitung sowohl zu duroplastischen als auch zu thermoplastischen FVK. Durch die additive Ablage vororientierter Langfasern in einer definierten Länge (5 mm -70 mm) lassen sich die Preforms dabei lokal variabel hinsichtlich Faserlänge, Flächengewicht und Faserorientierung einstellen. Die Bauteile können somit bezogen auf ein lastpfadgerechtes Design und eine maximierte Materialausnutzung optimal ausgelegt werden und bieten damit ein hohes Leichtbaupotenzial.

Der Industrie-4.0-Ansatz des Projekts „iComposite 4.0“ liegt in dem intelligenten Produktionssystem, welches unter anderem durch eine Verknüpfung der einzelnen Komponenten mit einem regelnden Produktionsleitsystem realisiert wird. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer flexiblen und selbst-regulierenden Produktionsanlage zur wirtschaftlichen und qualitätsüberwachten Serienproduktion von RTM-Strukturbauteilen mit 3D-fasergespritzten Preforms und bedarfsorientierter Endlosfaserverstärkung. Hierdurch wird neben einer bloßen Regelung der Prozessparameter auch eine Regelung der finalen Bauteileigenschaften ermöglicht – der Paradigmenwechsel von einer toleranzbasierten zu einer produktfunktionsgetriebenen Fertigung.

Prozess- und Verfahrensentwicklung

Die Kunststoffverarbeitung bietet eine unerschöpfliche Fülle zur Kombination unterschiedlicher Werkstoff- und Prozess- und Gestaltungsmöglichkeiten für den konsequenten Leichtbau. Lösungen reichen vom lastoptimierten Einsatz hochbelastbarer endlosfaserverstärkter Kunststoffe über funktionsintegrierte lang- und kurzfaserverstärkte Leichtbauteile bis hin zur Dichtereduktion unverstärkter Kunststoffe durch Schäumverfahren.

Zugehörige Forschungsprojekte am IKV

Mit insgesamt 13 Partnern aus unterschiedlichen Branchen der Kunststoffindustrie demonstriert das IKV die Umsetzung von Industrie 4.0 in der Kunststoffverarbeitung anhand einer Fertigungszelle auf der K 2016. Ziel des Projektes ist eine variantenreiche Produktion thermoplastischer Leichtbauteile, wobei die gesamte Fertigung im Sinne des Industrie 4.0-Ansatzes vernetzt ist und eine lückenlose Dokumentation von der  Auftragseinlastung über die Produktionsdaten bis zur nachgeschalteten Qualitätssicherung ermöglicht. Die Messebesucher können den Produktionsprozess aktiv steuern und sich ein personalisiertes Bauteil aus mehreren Varianten aussuchen und fertigen lassen. Dabei können die Produktionsparameter Schussvolumen, Bauteildicke und Art der Faserverstärkung von Schuss zu Schuss variiert werden. Der Demonstrator besteht aus einem formgebenden PP-LGF-Schaum und wird wahlweise um unidirektionale Laminate an der Ober- und Unterseite ergänzt. Die im Schaumspritzgießprozess genutzte ProFoam-Technologie sorgt für eine materialschonende Verarbeitung des langglasfaserverstärkten Polypropylens und führt durch große Restfaserlängen im Bauteil zu einer konsequenten Umsetzung des Leichtbaugedankens. Durch die Kombination des robusten Spritzgießprozesses mit der ressourceneffizienten Nutzung von Endlosfaserverstärkungen kann so ein wirtschaftlicher Prozess für die individualisierte Herstellung von thermoplastischen Leichtbauteilen realisiert werden, die an die jeweiligen Kundenanforderungen angepasst sind.

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Das Thermoplast-Schaumspritzgießen ermöglicht die Herstellung von hochwertigen Kunststoffformteilen mit reduzierten Bauteilgewicht. Einzig die für die Formteiloberfläche charakteristischen Silberschlieren stellen für den Anwender ein Hindernis dar. Mit der variothermen Temperierung gelingt die Herstellung optisch einwandfreier geschäumter Formteile. Im Projekt wurde der Einfluss der variothermen Temperierung auf die Oberflächenqualität und die Schaumstruktur spritzgegossener thermoplastischer Strukturschäume systematisch mit PP, PC/ABS/PMMA und PA untersucht, um neben der Oberfläche auch die mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren. Die Oberflächenqualitäten der kompakt gefertigten Referenzbauteilen konnten erreicht und teilweise übertroffen werden, während die mechanischen Eigenschaften der variotherm geschäumten Bauteile denen der konventionell geschäumten Bauteile entsprechen. In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wurde der Einsatz des variothermen Schaumspritzgießens als wirtschaftlich sinnvoll nachgewiesen.

In dem Forschungsprojekt „CFK-Karosserieaußenhautbauteile für die Großseriesind werkstoffgerechte Bauweisen und großserientaugliche Fertigungsstrategien für großflächige Karosserie­außen­haut­bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) mit dem Ziel des effizienten Leichtbaus entwickelt worden. Zur Fertigung der zu entwickelnden Bauteile wurde ein neuartiges Verfahren, das Spaltimprägnierverfahren, im Hinblick auf die Fertigung in Zykluszeiten von unter 15 Minuten am IKV bis zur Serienreife entwickelt.

Bei diesem Verfahren lässt sich zur Imprägnierung der Fasern ein temporärer Fließspalt erzeugen, der nach der Einleitung des Harzsystems durch ein geeignetes Schließkonzept geschlossen werden kann. So lassen sich Bauteile mit sowohl monolithischem als auch sandwichartigem Aufbau mit beidseitig glatten und hochwertigen Oberflächen, hoher Laminatqualität, Prozessrobustheit und in kurzen Zykluszeiten reproduzierbar herstellen.

Entwicklungsziel des Forschungsvorhabens sind die anforderungs-, werkstoff- und fertigungsgerechte Auslegung von Außenhautbauteilen für dieses neu entwickelte Fertigungsverfahren sowie die Optimierung des Verfahrens für die Fertigung dieser Bauteile. Als Ergebnis wurde ein Technologiedemonstrator in Form einer Motorhaube für den Ford Focus hergestellt, der die Ergebnisse der neuen Technologie nachweist und das Potenzial praktisch aufzeigt.

Im Forschungsprojekt „InPulSE“ kombiniert das IKV seine Kompetenzen aus den Bereichen Extrusion und Faserverstärkte Kunststoffe. In dem integrierten Verfahren wird kontinuierlich ein Hybridprofil gefertigt, das einen hochsteifen, leichten, duroplastischen faserverstärkten Kern mit funktionalen, schweißbaren, optisch und haptisch hochwertigen thermoplastischen Oberflächen verbindet.

 

 

Eine der wichtigsten Gruppen der technischen elastomeren Erzeugnisse ist die der medienführenden Hohlkörper. Derzeit werden elastomere Medienleitungen in mehreren kapital-, lohnkosten-, energie- und zeitintensiven nacheinander geschalteten Arbeitsschritten produziert. Die Fluidinjektionstechnik mit der Prozessvariante der Projektilinjektionstechnik (PIT) bietet hierzu ein alternatives Fertigungsverfahren, mit dem im einstufigen Spritzgießprozess komplexe Hohlkörper freifallend hergestellt werden können. Im Forschungsprojekt wurde die Anlagen- und Werkzeugtechnik zur Projektilinjektionstechnik derart weiterentwickelt, dass mit der neuen Technik endlosfaserverstärkte, elastomere Hohlkörper hergestellt werden können. Die verfahrenstechnischen Untersuchungen zeigen, dass mittels der bestimmenden Prozessparameter Werkzeugtemperatur und Verzögerungszeit die Restwanddicke gezielt beeinflusst werden kann.

 

 

Die Sandwichbauweise bietet hinsichtlich hoher Steifigkeiten bei geringem Gewicht ein hohes Potenzial. Die Herstellung struktureller 3D-Sandwichbauteile mit endlosfaserverstärkten Deckschichten ist bisher jedoch nicht effizient möglich, da mehrere Prozessschritte zur Schaumausformung sowie der Imprägnierung der Decklagen erforderlich sind.  Ziel des Projektes PUR-LIT ist daher die Weiterentwicklung der PUR-Sprüh-Prozesskette zur Fertigung komplexer FVK-Sandwichbauteile in der Großserie. Hierbei soll die Herstellung des 3D Schaumkerns in den Formungs- und Vernetzungsschritt der Decklagen integriert werden.

Die Herstellung von CFK Sichtbauteilen mit hohen Faservolumengehalten erfordert bis heute in den meisten Fällen eine aufwändige Nachbearbeitung und Lackierung. Zur effizienten Herstellung von CFK Sichtbauteilen mit hohen Faservolumengehalten wird am IKV aktuell ein Verfahren zur prozessintegrierten Aufbringung einer qualitativ hochwertigen Oberflächenschicht entwickelt. Hierzu wird ein PUR-Sprühverfahren mit einem klassischen Nasspressverfahren kombiniert. Die prozessintegriert aufgebrachte Oberflächenschicht kann dabei entweder aus dem gleichen Material wie die Matrix bestehen oder aus einem aliphatischen PUR System. Letzteres ist dabei glasklar, UV-stabil und selbstheilend und kann damit im Innenraum auch ohne zusätzlich Lackierung eingesetzt werden. 

Im Forschungsprojekt „InPulSE“ kombiniert das IKV seine Kompetenzen aus den Bereichen Extrusion und Faserverstärkte Kunststoffe. In dem integrierten Verfahren wird kontinuierlich ein Hybridprofil gefertigt, das einen hochsteifen, leichten, duroplastischen faserverstärkten Kern mit funktionalen, schweißbaren, optisch und haptisch hochwertigen thermoplastischen Oberflächen verbindet.

Hybrider Kunststoff/Metall-Leichtbau

Bei der Gestaltung von Leichtbauteilen müssen je nach Anwendung eine Vielzahl an Anforderungen hinsichtlich Mechanik, Funktionsintegration sowie Anbindung an übergeordnete Bauteilstrukturen. Im Gegensatz zur vollständigen Substitution eines Werkstoffes ergibt sich die optimale Leichtbaulösung daher oftmals durch hybride Werkstoffkombination und Multimaterialbauweisen aus Kunststoffen und Metallen.

Zugehörige Forschungsprojekte am IKV

Seit einigen Jahren werden vermehrt Strukturbauteile in Kunststoff/Metall-Hybridbauweise in Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Frontends eingesetzt. Dabei werden von den Herstellern vornehmlich kraft- und formschlüssige Prinzipien eingesetzt. Diese ermöglichen jedoch keine homogene Spannungsverteilung im Hybridverbund. Daher ist die langfristige Zielsetzung die Komponenten adhäsiv über Haftvermittlersysteme miteinander im Spritzgießprozess zu fügen. Zur Quantifizierung der Haftfestigkeit dieser Lösung, wurde im Rahmen des Projektes ein Rohrprüfkörper entwickelt. Dieser eignet sich im hohen Maße für die rechnergestützte Optimierungsrechnung von adhäsiven Kunststoff/Metall-Hybridbauteilen mittels FEM.

Durch die Kombination von Metall und Kunststoff zu Hybridbauteilen lassen sich die beiden völlig unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften er Materialien gezielt miteinander kombinieren. Auf diese Weise werden leichte und hochbelastbare Strukturen mit hoher Funktionsdichte erzeugt, um die in der Industrie geforderten Leichtbauziele zu verwirklichen.

Das Ziel dieses Kooperationsprojekts ist die Entwicklung hybrider Kunststoff/Magnesium-Werkstoffverbunde. Durch Einsatz dieses Nichteisenmetalls kann das Bauteilgesamtgewicht weiter reduziert werden. So beträgt die Dichte von Magnesium im Vergleich zu Stahl weniger als ein Viertel. Im Vergleich zu faserverstärkten Kunststoffen können beim Einsatz von Magnesium die metallischen Eigenschaften weiter genutzt werden.

Die Wirtschaftlichkeit des Herstellprozesses von hybriden Kunststoff/Metall-Hybridbauteilen wird entscheidend durch die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte geprägt. Die prozesssichere integrative Herstellung dieser Hybride wirkt sich durch die Einsparung von Prozessschritten direkt auf die Stückkosten aus. Der kombinierte Tiefzieh- und Hinterspritzprozesses ermöglicht die effiziente Fertigung von leichten und mechanisch hoch belastbaren Strukturbauteilen, durch das Tiefziehen einer Metallkomponente und das anschließende Funktionalisieren mit Kunststoff. Weiteres Ziel dieses Kooperationsprojektes ist die Anpassung des kombinierten Prozesses auf die Randbedingungen von Magnesiumknetlegierungen als Metallkomponente.

Kunststoff/Metall-Hybridbauteile finden heutzutage unter dem Hintergrund des Leichtbaugedankens vermehrt Einsatz in der Automobilindustrie. Für die Herstellung von Kunststoff/Metall-Hybridbauteilen stellt das kombinierte Tiefzieh- und Hinterspritzverfahren eine kosteneffiziente Methode dar. Statt der Umformung der Metallkomponente in einem vorgelagerten Prozess, erfolgt diese durch der Schließbewegung des Werkzeuges. Für diesen 1. Umformschritt, wird das Spritzgießwerkzeug um die Komponenten eines klassischen Tiefziehwerkzeugs erweitert. Anschließend erfolgt das Hinterspritzen der Metallkomponente mit der Kunststoffkomponente. Dabei wird die Metallkomponente wirkmedienbasiert im 2. Umformschritt durch den Schmelzedruck ausgeformt. Die Verbindung der Komponenten erfolgt durch ein auf die Metallkomponente aufgetragenes thermoaktivierbares Haftvermittlersystem. Dieser adhäsive Verbund ermöglicht eine vollflächige und damit homogenere Krafteinleitung, wodurch das Bauteilgewicht durch den Einsatz dünnerer Blechstrukturen weiter reduziert werden kann.

 

 

Werkstoffverhalten und Bauteilauslegung

Zur vollständigen Ausnutzung des Leichtbaupotenzials mit unterschiedlichen Werkstoffen bildet das Verständnis und die Vorhersage der komplexen Wechselwirkungen zwischen Material, Prozess und Bauteileigenschaften eine Schlüsselrolle.

Zugehörige Forschungsprojekte am IKV

Im Thermoformen ist eine ungleichmäßige Verformung des Halbzeugs charakteristisch, wodurch Dünnstellen mit geringen Eigenschaften entstehen. Daher müssen die Bauteile hinsichtlich dieser Dünnstellen dimensioniert werden, wodurch die Bauteile in den restlichen Bereichen überdimensioniert sind. Mit dem Ziel, die Formeigenschaften von Halbzeugen zu optimieren, wird ein Temperaturprofil auf die Halbzeuge durch ein Heizkonzept mit Masken geprägt. Es ist möglich das Verformungsverhalten der Halbzeuge lokal so einstellen, dass Material aus den überdimensionierten Bereichen zur Dünnstelle geführt wird. Somit lässt sich die Halbzeugdicke bei gleichbleibenden Bauteileigenschaften verringern.

Faserverstärkte Kunststoffe finden zunehmend Anwendung auch in schwingend beanspruchten Bauteilen wie z.B. Blattfedern. Besonders das große Dämpfungsvermögen, die werkstoffgerechte Belastung und natürlich das geringe Gewicht bieten das beste Leichtbaupotential von GFK gegenüber Stahlfedern. Die Ermüdungsfestigkeiten gelten als hervorragend, wenn auch bislang keine ausgeprägte Dauerfestigkeitsgrenze festgestellt werden konnte.

Für einen sicheren Betrieb des Bauteils muss bereits in der Konstruktion eine Berechnung der Lebensdauer möglich sein. Daher liegt der Fokus in diesem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt auf der Modellierung der Ermüdung von Faserverstärkten Kunststoffen, welche in Faserrichtung beansprucht werden. Unter Berücksichtigung von wechselnden Lasthöhen und ihrer unterschiedlichen Reihenfolge während der Bauteillebensdauer wird abschließend ein Blockprüfprogramm entwickelt, welches in seiner Schädigungsentwicklung der Entwicklung unter gemessenen Lasten entspricht.

Übergeordnetes Ziel des Projekts ist die Realisierung von Leichtbau im Automobilbereich infolge der Substitution metallischer Werkstoffe durch (Faserverbund-)Kunststoffe unter Beibehaltung einer wirtschaftlichen Produktion. In Zusammenarbeit mit der Ford Motor Company soll dazu ein vorderer unterer Querlenker untersucht werden.

Schwerpunkte des Projekts sind die analytische und simulative Analyse des vorliegenden Lastfalls und die Bewertung des Potenzials zur Gewichtsreduktion bei optimaler Ausnutzung des verfügbaren Bauraums. Auf dieser Grundlage wird eine geeignete Fertigungsstrategie abgeleitet und es werden Konzeptlösungen erarbeitet und simulativ validiert. Zur abschließenden experimentellen Validierung wird das finale Konzept als Prototypenserie umgesetzt.

Ziel des DFG-Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (Dresden), dem Institut für Statik und Dynamik (Hannover) und dem Institut für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe (Hamburg) ist die physikalisch basierte Verallgemeinerung vorhandener Schädigungsevolutionsmodelle für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) als essentieller Bestandteil der Vorhersage des Ermüdungsverhaltens.

Als besondere Herausforderungen bei der Modellierung des Schädigungsverhaltens von FVK gelten die gegenwärtig nur unzureichend verstandenen unterschiedlichen Schädigungsmechanismen im Zug- und Druckbereich und ihre Interaktionen unter wechselnden Belastungen.

Im Forschungsvorhaben wird daher mit Hilfe numerischer Analysen auf Mikroebene sowie der experimentellen Beobachtung durch optische Spannungsanalysen und der in-situ-Computertomografie ein Modell für das veränderliche Spannungs-Verzerrungs-Verhalten bei zyklischer Belastung mit Lastrichtungsumkehr formuliert.

 

 

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) erfahren im Laufe ihrer Einsatzlebensdauer häufig eine zyklische Beanspruchung. Daher ist neben einer statischen Auslegung die rechnerische Vorhersage der Einsatzlebensdauer insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile zwingend erforderlich.

Das Ziel des SPP 1466 besteht darin, ein grundlegendes Verständnis des Ermüdungs- und des Bruchverhaltens von aus unidirektionalen (UD)-Einzelschichten aufgebauten Laminaten unter schwingender Belastung mit bis zu 108 Lastwechseln aufzubauen und modellhaft zu beschreiben. Besonders das notwendige grundlegende Verständnis der Mikroschädigungsentwicklung UD-verstärkter Einzelschichten wurde durch experimentelle Arbeiten unter mehrachsigen Beanspruchungszuständen erarbeitet.

In diesem Teilprojekt des Exzellenzclusters entwickeln wir eine skalenübergreifende Simulationskette zur Beschreibung der Kristallisationskinetik von teilkristallinen Thermoplasten und deren Auswirkung auf das mechanische Bauteilverhalten. Dabei besteht eine aktive Kooperation mit dem ACCESS e.V. Forschungscenter, Aachen und dem Politecnico di Bari, Italien. Der am IKV entwickelte Teil dieser Simulationskette beschreibt anhand von Mehrskalenansätzen die Kristallisationskinetik von teilkristallinen Thermoplasten. Dabei werden die Inhomogenität des Bauteils und die lokalen Verteilungen der Überstrukturen berücksichtigt. Die Multiskalensimulation ermöglicht somit eine Berücksichtigung des Kristallisationsprozesses während der Erstarrung und ermittelt die daraus resultierenden inhomogenen Werkstoffeigenschaften. Diese verknüpfte Beschreibung von Prozess- und Materialeigenschaften in der Simulation ist eines der Grundelemente der integrativen Produktionstechnik.

 

 

Gegenüber kurzfaserverstärkten Thermoplasten (SFT) bieten langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) vor allem den Vorteil einer höheren Festigkeit und Schlagzähigkeit. Durch Verwendung langer Fasern kann die zeitabhängige Kriechneigung des Materials reduziert werden. Nichtdestotrotz bleibt eine gewisse Kriechneigung der thermoplastischen Matrix erhalten und muss bei einer simulativen Berechnung der Verbundeigenschaften berücksichtigt werden.

Im IGF-Forschungsprojekt „LFT-Kriechen/Relaxation“ wird aktuell eine integrative Simulationskette um ein mikromechanisches Modell aufgebaut, in der die hoch relevanten Einflüsse der Faserorientierung, Faserlängenverteilung und Faserkrümmung bei der Berechnung des Kriech- und Relaxationsverhaltens von LFT berücksichtigt werden können. Die Kalibrierung des Materials erfolgt dabei ausschließlich auf Grundlage des Matrixmaterials und ermöglicht so eine Berechnung der Verbundeigenschaften auch bei lokal abweichenden Faserlänge, sowie -orientierung. Nachgerechnete Versuche an realen Zugstäben mit unterschiedlicher Faserlänge zeigen eine gute Übereinstimmung der vorhergesagten zeitabhängigen Verbundeigenschaften. Ziel des Forschungsvorhabens ist nun die Übertragung der Ergebnisse auf ein Praxisbauteil und damit die Validierung der Leistungsfähigkeit der aufgebauten Methodik.

Im abgeschlossenen IGF-Forschungsprojekt „LFT-Schädigung“ wurde am IKV eine integrative Simulationsmethode um einen mikromechanischen Homogenisierungsansatz weiterentwickelt, mit dem den Besonderheiten bei der Modellierung diskontinuierlich langfaserverstärkter Thermoplastbauteile (LFT) Rechnung getragen wird. So wird das bei der Modellierung kurzfaserverstärkter Materialien übliche konstante Aspektverhältnis der Fasern durch eine bei LFT charakteristische Faserlängenverteilung abgelöst. Darüber hinaus wurden Erkenntnisse über die Besonderheiten der Faserorientierung bei LFT integriert sowie eine Möglichkeit zur Berücksichtigung des Einflusses der Faserkrümmung auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundes implementiert. In Validierungsversuchen konnte gezeigt werden, dass unter Verwendung der entwickelten integrativen Simulationsmethode eine lokal differenziertere Berechnung der Materialeigenschaften und damit ganzer Bauteile ermöglicht wird. Schlussendlich bedeutet diese Möglichkeit eine weniger konservative Auslegung neuer Bauteile, wodurch sowohl das Gewicht reduziert werden kann als auch diffizilere Strukturen ermöglicht werden. 

 

 

Spritzgegossene kurzglasfaserverstärkte Bauteile sind in verschiedenen Anwendungen immer häufiger dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Neben kostenaufwändigen Bauteilwöhlerversuchen an seriennahen Prototypen werden zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens des Werkstoffs Wöhlerversuche an Probekörpern durchgeführt. Diese Charakterisierung stellt einen hohen zeitlichen Aufwand dar, ist jedoch sowohl für analytische Abschätzungen als auch für die für die am IKV auf Basis eines Masterwöhlerlinienkonzepts durchgeführten simulativen Lebensdauerberechnungen von Bauteilen essentiell. Angepasst an den jeweiligen Werkstoff werden fokussiert sich die Forschung am IKV auf die werkstoffgerechte Ermüdungsprüfung kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste entwickelt. Dazu wird der Prüfumfang in Form spannungs- oder dehnungsgeregelter Werkstoffwöhlerversuche effizient definiert und die Randbedingungen wie Temperatur und Prüffrequenz festgelegt. Durch die genaue Analyse des viskoelastischen Materialverhaltens kann sichergestellt werden, dass die Ermüdung in Form mechanischer Zerrüttung erfasst und Effekte wie je nach Anwendung ungewolltes thermisches Versagen verhindert werden.