Blick in die Zukunft der Kunststoffverarbeitung

Integrative Körperschallsimulation kurzfaserverstärkter Thermoplastbauteile

Produktentwicklung Technische Bauteile sind oft Schwingungen ausgesetzt, die zu Geräuschabstrahlungen führen können. Um das akustische Verhalten eines Kunststoffbauteils bereits in frühen Entwicklungsphasen abschätzen zu können, wird die numerische Simulation mithilfe der Finiten-Elemente-Methode (FEM) eingesetzt. Beim Modellieren von Bauteilen aus kurzfaserverstärkten Thermoplasten muss zum einen das frequenzabhängige Materialverhalten berücksichtigt werden. Zum anderen sind lokal unterschiedliche Faserorientierungen zu berücksichtigen, da kurzfaserverstärkte Thermoplaste aufgrund der Faserorientierung richtungsabhängige Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften besitzen. Dazu wird am IKV eine Methode zur integrativen Akustiksimulation kurzfaserverstärkter Bauteile entwickelt. Diese kombiniert Methoden der klassischen Akustiksimulation mit den in Prozesssimulationen berechneten Faserorientierungen. Auf diese Weise kann das anisotrope frequenzabhängige Materialverhalten eines Faser/Matrix-Verbunds berechnet werden. In der FE-Software Abaqus kommt dafür ein benutzerdefiniertes Materialmodell zum Einsatz. Das kann nur im Zeitbereich genutzt werden, nicht jedoch im Frequenzbereich. Deshalb ist eine Berechnung im für Akustiksimulationen charakteristischen Frequenzbereich zunächst nicht möglich. Um dennoch eine anschauliche Darstellung zu ermöglichen, werden die Simulationsergebnisse von einem Visualisierungsskript aus dem Zeit- in den Frequenzbereich transformiert. Erste Untersuchungen an plattenförmigen Formteilen, die einer freien Schwingung ausgesetzt werden, haben die Vorteile der integrativen Akustiksimulation bereits gezeigt. So nähert sich das gemessene Schwingverhalten für diese einfache Geometrie sehr gut den simulierten Werten an. Im Vergleich zu einer Akustiksimulation mit isotropen Ersatzkennwerten wird die erhöhte Abbildungsgenauigkeit besonders deutlich.

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Pascal Brandt, brandt@ikv.rwth-aachen.de

Optimierte Stiftextruder für bessere Dispersion und höheren Durchsatz

Im Stifextruder vulkanisierte und von Stiften durchmischte verschiedenfarbige Kautschukmischungen. (Bildquelle: IKV)

Kautschukextrusion Bei der Reifenherstellung werden Stiftextruder unter anderem zur Extrusion von Laufflächen eingesetzt. Mit ihnen kann über der Extruderlänge und dem Extrudatquerschnitt ein homogenes Temperaturprofil erzeugt und gleichzeitig die Qualität der Füllstoffdispersion verbessert werden. Die Letztere wird vor allem durch lokale Schubspannungen in der Schmelze verbessert, verursacht durch die in den Fließkanal ragenden Stifte. Gleichzeitig stellen die Stifte ein Strömungshindernis dar und senken den Durchsatz. Um diesen Konflikt zu lösen, sollen die derzeit zylindrischen Stifte in ihrer Geometrie optimiert werden mit dem Ziel, die Mischleistung zu erhöhen und die Anzahl notwendiger Stifte zu reduzieren. In diesem Projekt arbeitet das  IKV mit der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) zusammen. Die Forscher beider Institute untersuchen zunächst, welchen  Einfluss die Stiftgeometrie auf die Umströmung und damit auf die Füllstoffdispersion im Kautschuk hat. Diese ist eine wichtige Qualitätsgröße von Kautschukmischungen und Bauteilen, da sie sich signifikant auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Zur Bewertung werden verschiedene Messmethoden hinsichtlich ihrer qualitativen oder quantitativen Ergebnisse und der messbaren Füllstoffgröße analysiert. Zusätzlich zu praktischen Extrusionsversuchen wird die Kautschukströmung in Stift-ebenen mit einer instationären, dreidimensionalen Strömungssimulation abgebildet. Der Simulation liegt ein Viskositätsmodell zugrunde, das schergeschwindigkeits- und temperaturabhängige Materialdaten sowie die Schererwärmung berücksichtigt. Zur Validierung der Strömungssimulation werden mit Kautschukstiftex-trudern verschiedenfarbige und unterschiedlich viskose Mischungen verarbeitet und durchmischt.

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Florian Lemke, lemke@ikv.rwth-aachen.de

Großserientaugliche Herstellung von Sandwichbauteilen auf Polyurethanbasis

FVK/PUR Bei der Herstellung faserverstärkter Bauteile mit PUR-Matrix können bisher nur Fasergehalte unter 50 Gewichtsprozent erreicht und meist geschäumte Matrixsysteme verarbeitet werden. Das IKV entwickelt einen Fertigungsprozess für hochbelastbare Sandwichstrukturen mit kompakten faserverstärkten Deckschichten. Dabei wird ein Faservolumengehalt bis 70 Gewichtsprozent angestrebt. Als Kernmaterialien werden sowohl kostengünstige Papierwaben als auch prozessintegriert ausgeformte Schaumsysteme untersucht. Das Projekt baut auf Ergebnissen der DFG Forschergruppe 860 (FOR860) auf, die das PUR-Sprühimprägnieren von gerichteten Endlosfasern, das sogenannte Resin Spray Prepregging (RSP) mit einem Formungs- und Vernetzungsprozess kombiniert hat. Diese Verfahrenskombination hat die automatisierte Herstellung von Hochleistungsbauteilen mit einfachen Geometrien in Zykluszeiten von 5 min und mit hohen Fasergehalten über 70 Gewichtsprozent möglich gemacht. Der Fertigungsprozess wird nun für anwendungsorientierte, realitätsnahe Bauteilgeometrien angepasst. Als Versuchsbauteil wird eine Platte als Sandwichbauteil – 11 mm dick – mit prozessintegriert ausgeformtem Schaumkern – 7 mm dick – hergestellt. Die Schaummorphologie ist sowohl in Dickenrichtung als auch in Längsrichtung homogen. Bisher wird allerdings nur einseitig eine gute Oberflächenqualität erreicht. Die weitere Optimierung setzt hier an. Der Einfluss verschiedener Sprühsysteme, Materialreaktionszeiten und Prozesszeiten wird in diesem  Ergebnistransferprojekt ermittelt. Das Projekt wird mit einer Laufzeit von drei Jahren von der DFG gefördert. Projektpartner sind Rühl Puromer, die PARAT Beteiligung, Krauss Maffei Technologies und Greiner Perfoam.

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Regina Riedel, riedel@ikv.rwth-aachen.de

Integration von Pultrusion und Extrusion

Geeignete Prozesskonfiguration zur Kombination von Extrusion und Pultrusion (Bildquelle: IKV)

Extrusion/Pultrusion Mechanisch niedrig belastete Profile werden aus Thermoplasten extrudiert. Mechanisch höher belastete Profile  werden als faserverstärkte Kunststoffe (FVK) im Pultrusionsverfahren mit duroplastischer Matrix (DP) hergestellt. Am IKV wird nun ein Prozess entwickelt, der die Vorteile beider Verfahren miteinander verknüpft. Die Integration von Pultrusions- und  Extrusionsprozess, genannt „InPulSE“, soll Hybrid-Profile aus pultrudierten FVK-Kernen mit extrudierten thermoplastische Deckschichten herstellen. Der duroplastische, endlosfaserverstärkte Kern sorgt für die mechanische Eigenschaften des Profils. Die extrudierte Deckschicht mit einer hohen Oberflächenqualität ermöglicht das Anschweißen von Funktionselementen. Kernstück des Projekts ist die Entwicklung eines geeigneten Werkzeugs, in dem Pultrusion und Extrusion zusammengeführt werden. Die neue Anlagentechnik wird derzeit konzipiert. Die damit zu erstellenden Probekörper werden charakterisiert und optimiert. Die Herausforderungen liegen in den unterschiedlichen Temperaturführungen der Einzelprozesse und den verschiedenen Druckniveaus und Viskositäten der Werkstoffe. Projektpartner sind Johns Manville Europe, BASF und Rühl Puromer.

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Peter Schneider, schneider@ikv.rwth-aachen.de

Schnellere Lebensdauervorhersage kurzglasfaserverstärkter Thermoplastbauteile

Lebensdauervorhersage für kurzglasfaserverstärkte Thermoplastbauteile (Bildquelle: IKV)

Werkstofftechnik Bauteile aus kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten werden in technisch anspruchsvollen und auch sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt. Um ihre Betriebsfestigkeit bei dynamisch-zyklischen Belastungen simulativ bestimmen zu können, eignen sich Methoden, die auf Werkstoff-Wöhlerkurven und der Finite-Elemente-Methode (FEM) basieren. Die Ermittlung des Ermüdungsverhaltens kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste ist allerdings mit einem sehr hohen experimentellen Aufwand verbunden. So muss das Verbundmaterial unter Berücksichtigung der thermoplastischen Matrix, des Fasergehalts und der Faserorientierung charakterisiert werden. Darüber hinaus können die dazu notwendigen Dauerschwingversuche nur bei sehr niedrigen Frequenzen durchgeführt werden. Die hohe Dämpfung von Thermoplasten würde ansonsten zu einer unzulässigen Eigenerwärmung mit Einfluss auf das Ermüdungsverhalten führen. Deshalb entwickelt das IKV eine Methode zur schnelleren Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste für die simulative Lebensdauervorhersage. Die Forscher untersuchen dazu  Methoden, mit denen die Prüffrequenz der Dauerschwingversuche gezielt erhöht werden kann – bei gleichzeitig gesteigertem Wärmeabtransport aus dem Material. Darüber hinaus wird das Ermüdungsverhalten von Materialien mit gleicher Matrix und unterschiedlichen Fasergehalten auf Zusammenhänge geprüft. Zusätzlich wird ein Konzept zur Normierung dieser unterschiedlichen Wöhlerkurven erarbeitet. Das Ermüdungsverhalten kann dann mit FEM und einer geeigneten Äquipotenzialbedingung auf beliebige Geometrien übertragen werden. Grundlage bildet eine integrative Simulationsmethode, die die Füll- mit der Struktursimulation koppelt. Dadurch wird die Bauteilbelastung unter Berücksichtigung der Faserorientierung abgebildet. Mit einer Äquipotenzialbedingung kann abschließend auf die Lebensdauer geschlossen werden.

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Pascal Brandt, brandt@ikv.rwth-aachen.de