Simulation für die Kunststofftechnik

Die Simulation ist heute ein unverzichtbares Werkzeug für die Kunststofftechnik. Am IKV werden dazu moderne Simulationsmethoden erforscht, entwickelt und eingesetzt, die den Anwender in die Lage versetzen, Iterationen und Prototypenversuche deutlich zu reduzieren, die technische Machbarkeit und Leistungsfähigkeit neuer Produkte und Verfahren bereits im Vorfeld zu bewerten, das Werkstoffpotenzial der Kunststoffe bestmöglich auszuschöpfen sowie Bauteile und Verarbeitungsprozesse im Sinne einer durchgängigen virtuellen Produktentwicklung zu optimieren.

Dabei stellen wir uns unterschiedlichen Randbedingungen, wie dem komplexen Materialverhalten der Kunststoffe in den verschiedensten Belastungsfälle, ständigen Innovationen im Bereich der Werkstoffe und der Fertigungsverfahren und anhaltendem Zeit- und Kostendruck

Im Bereich der Simulation erforschen wir schwerpunktmäßig diese Anwendungsfelder:

  • Prozesssimulation
    Die Prozesssimulation wird am IKV genutzt, um Verarbeitungsverfahren virtuell abzubilden. Damit können wir Werkzeuge und Maschinen vor dem ersten Experiment auslegen und bewerten. Ein Beispiel ist die Simulation des Spritzgießprozesses, aus der sich unter anderem der Druckbedarf, mögliche Bindenähte, Faserorientierungen oder der Temperierbedarf ermitteln lassen. 
  • Struktursimulation
    In der Struktursimulation stellen wir das Bauteilverhalten im Einsatz nach, um darauf aufbauend Konstruktionsentwürfe zu optimieren und Werkstoffe auszuwählen. Der zeitliche Verlauf der Last und der Temperatur sind hierbei von ebenso großer Bedeutung wie die inneren Eigenschaften des Werkstoffs. Ergebnisse sind beispielsweise Verformungen, Spannungen, Schädigungen oder Versagensorte und -verläufe.  
  • Integrative Simulationsketten
    In integrativen Simulationsketten verknüpfen wir Prozess- und Bauteilsimulation über eigens entwickelte Schnittstellen. Hierdurch können die verarbeitungsbedingten Materialeigenschaften in der Bauteilsimulation berücksichtigt werden, wie beispielsweise die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften von kurzglasfaserverstärkten Bauteilen.
    Auch mehrstufige Simulationen werden am IKV entwickelt, die beispielsweise die Temperaturverteilung aus einer Aufheizsimulation an die mechanische Umformsimulation des Streckblasformens übergeben.
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Dr.-Ing. Suveni Kreimeier

Abteilungsleiterin Formteilauslegung und Werkstofftechnik +49 241 80-28359 suveni.kreimeier@ikv.rwth-aachen.de

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Bestandteile einer Simulation – Werkstoffwissen und Numerik

Die Forschungsaktivitäten des IKV im Bereich Simulation fokussieren sich auf die Weiter- und Neuentwicklung von Simulationsmethoden sowie deren Validierung an praxisnahen Anwendungsfällen. Ziel der Arbeiten ist es, die gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse über den Werkstoff und seine Verarbeitung in anwendungsgerechte Simulationswerkzeuge zu überführen.

Grundlage jeder Simulation ist die werkstoff- und lastgerechte Abbildung des Materialverhaltens in Materialmodellen. Diese Modelle werden auf Basis detaillierter Werkstoffprüfungen kalibriert, die wir selbst durchführen. Die Möglichkeiten und Grenzen der numerischen Verfahren kennen wir ebenso wie die Stärken und Schwächen der unterschiedlichen Simulationstools.

Die Kombination aus Werkstoff- und Prozesswissen sowie Numerik bildet die Grundlage für die Stärke des IKV im Bereich der Simulation. Alle Schritte einer erfolgreichen Simulation – vom Modellaufbau bis zur Interpretation der Ergebnisse – erforschen wir am IKV aus einer Hand.

Aktuelle Forschungsprojekte im Bereich Simulation

In diesem Teilprojekt des Exzellenzclusters entwickeln wir eine skalenübergreifende Simulationskette zur Beschreibung der Kristallisationskinetik von teilkristallinen Thermoplasten und deren Auswirkung auf das mechanische Bauteilverhalten. Die Multiskalensimulation ermöglicht somit eine Berücksichtigung des Kristallisationsprozesses während der und ermittelt die daraus resultierenden inhomogenen Werkstoffeigenschaften. Diese verknüpfte Beschreibung von Prozess- und Materialeigenschaften in der Simulation ist eines der Grundelemente der integrativen Produktionstechnik. 

Im IGF-Forschungsvorhaben LFT-Crash entwickelt das IKV in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie eine integrative Simulationskette zur Abbildung des Deformations- und Versagensverhaltens langglasfaserverstärkter Kunststoffe unter stoßartiger Beanspruchung. Hierzu werden ein benutzerdefiniertes Materialmodell sowie ein Ansatz zur Kalibrierung des Modells entwickelt. Die Grundlage des Forschungsvorhabens bildet eine umfassende Charakterisierung der Einflussfaktoren Faserlänge, Faserorientierung und Fasergehalt in Bezug auf die Beeinflussung der bei der Crashsimulation ausschlaggebenden Dehnratenabhängigkeit von LFT-Werkstoffen.

Hierzu werden am IKV entwickelte Ansätze zur Werkstoffprüfung und Materialdatenaufbereitung genutzt, mit deren Hilfe nicht nur eine im Vergleich zu Standardmessverfahren deutlich höhere Genauigkeit erzielt werden kann, die Messdaten können darüber hinaus ohne weitere Bearbeitung zum Kalibrieren von numerischen Modellen verwendet werden. Somit steht als Ergebnis neben einem verbesserten Verständnis des Werkstoffverhaltens von LFT unter kurzzeitdynamischer Belastung auch ein Ansatz zur Abbildung der gemessenen Effekte in der FEM zur Verfügung. 

Technische Bauteile sind in ihrer Einbausituation oft Schwingungsanregungen ausgesetzt und werden dadurch zur Geräuschabstrahlung angeregt. Die Bauteilauslegung hinsichtlich akustischer Randbedingungen kann für unverstärkte Thermoplaste mit Methoden und Materialmodelle erfolgen, die bereits in kommerziellen Struktursimulationsprogrammen vorhanden sind.

Darüber hinaus konzentriert sich die Forschung am IKV auf eine werkstoffgerechte Akustiksimulation thermoplastischer Werkstoffe, die eine deutlich verbesserte Abbildungsgüte ermöglicht. Neben der Verbesserung der Methoden für unverstärkte und damit mechanisch isotrope Kunststoffe wurde erstmalig auch eine Akustiksimulation anisotroper kurzfaserverstärkter Thermoplaste mithilfe einer integrativen Berechnungsmethode umgesetzt.

Mit dem am IKV entwickelten Materialmodell kann das sowohl richtungs- als auch frequenzabhängige Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten kurzfaserverstärkter Thermoplaste berechnet werden. Die Vorteile dieser Methode werden besonders an Bauteilen mit ausgeprägter Faserorientierung deutlich. 

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.

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.

Lösungen für die Industrie in Forschung und Entwicklung

Wir beherrschen die einfache isotrope Simulation genauso wie die vollständig integrative Simulation unter Berücksichtig des kunststoffspezifischen Materialverhaltens, der Prozesseinflüsse und komplexer Belastung. Aus diesem Spektrum leiten wir die für Ihre Fragestellung geeignete Lösung ab – so genau wie nötig, so effizient wie möglich. Wir arbeiten mit allen namhaften und industriell relevanten Softwaretools. Wo notwendig greifen wir auf Eigenentwicklungen oder Subroutinen zurück, beispielsweise zur Implementierung eigener, auf den Werkstoff zugeschnittener Materialmodelle.

Simulation von Verarbeitungsprozessen

  • 2,5D und 3D-Prozesssimulation des Spritzgießens (thermisch, rheologisch und mechanisch)
  • Simulation der Einlegerverformung im Spritzgießwerkzeug
  • Strömungsmechanische Simulation von Extrusionswerkzeugen
  • Simulation des Fließpressens von langfaserverstärkten Thermoplasten und Duroplasten (Füllverhalten, Reaktionskinetik und Erstarrungsverhalten, Faserorientierungsvorgänge)
  • Mehrstufige Simulation des Streckblasformprozesses (Aufheizung, Umformung)
  • Simulation des Thermoformprozesses (Aufheizung, Umformung)
  • Thermische Simulation des Laserdurchstrahlschweißens

Struktursimulation von Kunststoffbauteilen

  • Integrative Strukturanalyse von thermoplastischen Spritzgießbauteilen (kurz- und langfaserverstärkt)
    • Steifigkeit und Festigkeit, Ermüdungsverhalten unter schwingenden Lasten, Versagensverhalten im Crashfall, Körperschallverhalten, Bindenahtfestigkeit, Alterung unter Medieneinfluss
  • Interface-Eigenschaften von stoffschlüssigen Kunststoff/Metall-Hybridverbindungen
  • Mechanische Eigenschaften von Elastomerbauteilen auf Basis der lokalen Vernetzungsdichte
  • Erstarrungsprozesse – Gefügeentstehung in teilkristallinen Kunststoffen
  • Dimensionierung von endlosfaserverstärkten Bauteilen auf Basis der CLT (Klassische Laminat-Theorie)
  • Simulation des mechanischen Verhaltens von endlosfaserverstärkten Bauteilen mittels FEM
  • Mechanische und Barriereeigenschaften von streckblasgeformten Hohlkörpern

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