Umwelt, Sicherheit und Mobilität sind zentrale Anforderungen unserer Zeit und stellen bedeutende Herausforderungen für die innovationstreibenden Produktentwicklungen der Automobilindustrie dar. Hohe Ölpreise und sich wandelnde politische Rahmenbedingungen rücken das Thema Energieeffizienz immer mehr in den Vordergrund. Eine Schlüsselrolle kommt daher dem Leichtbau und damit auch den thermoplastischen Faserverbundkunststoffen zu.
Während das Spritzgießen kurzfaserverstärkter Thermoplaste zum Beispiel aufgrund der erzielbaren Steifigkeitssteigerung seit längerer Zeit auf dem Markt etabliert ist, setzten sich großserientaugliche Verarbeitungsverfahren langfaserverstärkter Thermoplaste (LFT) erst in den letzten Jahren zunehmend durch.
Ein besonderes Merkmal von LFT-Bauteilen ist das dreidimensionale Fasergerüst, das sich während der Formgebung ausbildet und dem Endprodukt seine spezifischen mechanischen Eigenschaften wie die hohe Energieaufnahme bei schneller Belastung verleiht, aber auch maßhaltige Bauteile mit geringem Verzug begünstigt. Langfaserverstärkte Kunststoffe nutzen die Vorteile freizügiger Formbarkeit ähnlich wie kurzfaserverstärkte Kunststoffe und mechanische Eigenschaften quasi-endlosfaserverstärkter Kunststoffe.
Das thermomechanische Verhalten von langfaserverstärkten Bauteilen kann somit erst durch die Berücksichtigung der Fertigungseinflüsse auf die Ausbildung der räumlichen Verteilungen der Faserorientierung, -krümmung und -länge richtig beschrieben werden.

Das Auslegungskonzept
für die Simulation

In der Formteilentwicklungspraxis existieren traditionsgemäß zwei Welten, die Spritzgieß-Simulationswelt und die Struktursimulationswelt. Schnittstellen wurden entwickelt, die die Berücksichtigung der lokalen, kurzfaserbedingten Anisotropie bei der Struktursimulation zulassen. Der Einfluss der Kurzfaserorientierungen auf die resultierenden Formteileigenschaften konnte dabei mithilfe mikrothermomechanischer Modelle mathematisch abgebildet werden. Dabei werden Kurzfaserorientierungen in der Simulation mithilfe von sogenannten zweistufigen, symmetrischen Orientierungstensoren abgebildet, die die Wahrscheinlichkeit wiedergeben, dass alle in einem finiten
Element (FE) enthaltenen Kurzfasern einen FE-bezogenen Orientierungszustand aufweisen. Standardmäßig werden diese Kurzfaserorientierungen auf Basis von Fließsimulationen berechnet. Hierbei wird von der Vereinfachung Gebrauch gemacht, dass die sich während des Fließens einstellenden Kurzfaserorientierungen mit der makroskopischen Schmelzeströmung nicht wechselwirken. Diese Vorgehensweise repräsentiert den Stand der Technik für kurzfaserverstärkte Formteile.
Die Übertragung und Erweiterung dieses Konzeptes auf langfaserverstärkte Thermoplastformteile, die im Spritzgieß- beziehungsweise im Direktspritzgieß-Verfahren hergestellt werden, ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten am Lehrstuhl für Kunststofftechnik der Universität Erlangen-Nürnberg. Bislang konnte ein solches Konzept unter Beachtung einer möglichst faserschonenden Formteil-, Werkzeug- und Verfahrensgestaltung auf Grundlage eines mittels ILC-Technologie (In-Line Compounding-Technologie) direktspritzgegossenen, großflächigen Prüfkörpers (ILC-Prüfkörper) aus 30 Gewichtsprozent langglasfaserverstärktem Polypropylen entwickelt und qualifiziert werden.
Ähnlich der herkömmlichen integrativen Simulation kurzfaserverstärkter Thermoplaste wurde hierzu aufbauend auf eine Fließsimulation (Software: Autodesk Moldflow Insight 2010) für ein repräsentatives Verbundschmelzeverhalten eine Faserorientierungsverteilung ermittelt. Das rheologische Verbundschmelzeverhalten kann dabei bislang nur mittels Füllstudien ausgehend von bestehenden Datensätzen phänomenologisch approximiert werden. Die somit rechnergestützt ermittelte Faserorientierungsverteilung bildet die Grundlage für die Berechnung der lokalen anisotropen Eigenschaften mittels des Konzepts der sogenannten Eigenschaftshomogenisierung. Die Parameter der Faserorientierungsberechnung wurden mithilfe von Mikrocomputertomographie-Daten (µCT-Daten) experimentell an einer repräsentativen Stelle eines Probekörpers (ILC-Prüfkörper) korrigiert und die hieraus resultierenden Ergebnisse in weiteren Untersuchungen für zunächst acht Positionen innerhalb des Prüfteils erfolgreich verifiziert. Der Abgleich erfolgte dabei wiederum basierend auf aus µCT-Aufnahmen abgeleiteten Orientierungstensordaten.
Hinsichtlich der Eigenschaftshomogenisierung wurde das Programmsystem Digimat 4.0 herangezogen, welches unter anderem die Übertragung der Faserorientierungsdaten auf das Struktur-Simulationsnetz (Software: Abaqus V6.9) sowie die praxisnahe Modellierung des resultierenden Verbundverhaltens ermöglicht. Die Eigenschaftshomogenisierung erlaubt, im Gegensatz zu den herkömmlichen mikromechanischen Ansätzen zur Ableitung von Anisotropiekenngrößen, die interaktive nichtlineare Steifigkeitsverteilungsberechnung auf Grundlage der einzelnen Komponenten der Verbundstruktur (an jedem Integrationspunkt des FE-Netzes) und führt bei kurzfaserverstärkten Thermoplasten zu genaueren Simulationsergebnissen.

Praxisnahe Materialmodellierung
der Faserstruktur

Anhand einer virtuellen Zugprüfung für lediglich eine Position eines Prüfkörpers, die mit experimentellen Zugversuchsdaten mittels der Reverse Engineering Funktion von Digimat abgeglichen wird, erfolgt dann in einem weiteren Schritt eine realitätsnähere Modellierung des phänomenologischen Verhaltens der Matrixkomponente. Dabei werden Effekte wie die lokale Faser-Matrix-Kopplung und eventuelle Mikrokerbstellen phänomenologisch mit berücksichtigt.
Bei der Materialmodellierung mittels Digimat wurden experimentell ermittelte Faserzustände eingepflegt, damit das Modell unabhängig von der Güte der Faserorientierungssimulation ist. Die aus Hersteller-Datenblättern stammenden Eigenschaften der Faserkomponente wurden dabei als isotrop und elastisch modelliert. Faserorientierungen und Faserlängenverteilungen wurden mithilfe von innovativen, kommerziell erhältlichen Programmen digitalisiert. Für die Digitalisierung der Faserorientierungen werden µCT-Daten benötigt. Die Faserlängenmessung erfolgt in einem mit der Digitalisierungs-Software mitgelieferten Scannersystem, das optisch die von der Matrix befreiten Fasern auswerten kann. Die Fasern können hierfür faserschonend mittels Veraschung und anschließende Verdünnung in wässriger Lösung für die Messung präpariert werden.
In der untersuchten Digimat-Version konnten bislang noch keine elementbezogenen Orientierungstensoren berücksichtigt werden, sodass nur ein Orientierungstensormittelwert angegeben wurde. Das gleiche gilt auch für die Faserlängenverteilung. Lediglich eine zugstabgemittelte Längenverteilung kann bisher berücksichtigt werden. Die Ergebnisse der durchgeführten Struktursimulationen haben dennoch gute Erfolgsaussichten demonstriert.

Gute Erfolgsaussichten für die
praktische Anwendbarkeit

Zur Verifikation der Simulationsmethodik wurden Zug- und Drei-Punkt-Biegeversuche an Proben aus drei verschiedenen Positionen experimentell durchgeführt und anschließend integrativ simuliert. Die Ergebnisse haben eine gute bis sehr gute Übereinstimmung im versagensfreien Deformationsbereich gezeigt (Versagenskriterien für Faserauszug und Zwischenfaserbruch wurden hier nicht implementiert). Die Strukturauswertung hat aber auch gezeigt, dass die Simulationsgüte (besonders bei den Drei-Punkt-Biegesimulationen) von der Polydispersität der Prüfkörper, also von der Schwankung der vorhandenen Orientierungen und Faserlängen innerhalb eines Prüfkörpers, abhängt. Zur Simulation wurde in allen Fällen ein Materialmodell verwendet, das auf Grundlage des aufgeführten Reverse Engineering Konzeptes für lediglich eine einzige Position (Position 1) des ILC-Prüfkörpers kalibriert wurde.
Die für die Struktursimulation (nicht für die Aufstellung eines Materialmodells) relevanten Faserlängenverteilungen konnten bisher nicht auf Element- ebene übertragen werden. Jedoch wurden diese über ein im Rahmen dieser Untersuchungen neuentwickeltes Faserlängen-Abbaumodell rechnergestützt abgeschätzt.
Die Simulationsmethodik wurde am Lehrstuhl für Kunststofftechnik in Erlangen im Rahmen eines von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Forschungsprojektes in Kooperation mit der Firma Brose Fahrzeugteile, Coburg, verfolgt. Hierfür wurden erforderliche verfahrens- und messtechnische Aspekte beleuchtet. Unter anderem wurde eine Fließpressvorrichtung realisiert, die die systematische Untersuchung des Einflusses des Ausgangszustands der Langfasern auf die resultierenden Fließ- und Struktureigenschaften erlaubt.
Die erzielten Erkenntnisse sind Ausgangspunkt für eine Implementierung des Faserlängenabbaus in kommerzielle Spritzgieß-Simulationsprogramme sowie eine Verknüpfung mit Material-Modellierungstools, um ein Mapping auf die einzelnen Elemente des Struktursimulationsnetzes zu erleichtern und hierdurch die Simulationsqualität weiter zu verbessern.

Erhöhte Marktchancen
Optimierte LFT-Formteile

Das Potenzial der langfaserverstärkten Thermoplaste liegt in der großseriennahen und wirtschaftlichen Herstellbarkeit von Formteilen mit großer Funktionsdichte und hervorragendem thermomechanischen Verhalten. Die rechnergestützte Vorhersage des mechanischen Verhaltens tragender Teile ist eine zunehmend zwingende Voraussetzung für den Serieneinsatz innovativer Werkstoffe und Fertigungstechnologien. Im Fall von LFT-Bauteilen kann erst durch die integrative Formteilauslegung der Weg zur Ausnutzung des Werkstoffpotentials in marktfähigen und kosteneffizienten Leichtbaulösungen geebnet werden.

 

 

Danksagung
Die Autoren danken der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) für die finanzielle Unterstützung. Die vorgestellten Ergebnisse sind in Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Kunststofftechnik und der Firma Brose entstanden. Besonderer Dank gebührt weiterhin der Firma e-Xstream engineering für die softwaretechnische Unterstützung.

 

 

Autor

Über den Autor

Thomas Tsigkopoulos