Mit Simulation zur Serie

Beanspruchung des Composite-Halbzeugs bei der Umformung (rot = hohe Verzerrung; blau = niedrige Verzerrung) . (Bildquelle: Lanxess)

Wirtschaftliche Bauteillösungen sind meist das Ergebnis einer intensiven Zusammenarbeit des Kunststoffherstellers mit dem Verarbeiter und dessen Kunden. Der Rohtstoffanbieter Lanxess hat zu diesem Zweck sein Engineering-Know-how in der Marke Hi-Ant gebündelt. Der global vernetzte Service reicht von der Material- und Konzeptentwicklung über die rechnergestützte Auslegung von Bauteilen und Fertigungsprozessen bis hin zur Verarbeitungstechnik und Bauteilprüfung. Ziel ist, gemeinsam mit dem Kunden die Entwicklungszeit und „time to market“ einer Anwendung zu verkürzen und die Bauteilkosten zu minimieren. Genutzt werden dafür  Simulations- und Berechnungsmethoden, mit denen ein Kunststoffbauteil zielgerichtet auf die Belastung im Einsatz ausgelegt wird. Ein Großteil der Entwicklungsarbeit kann so bereits virtuell am Computer erledigt werden.

Der Service schließt auch die endlosfaserverstärkten, thermoplastischen Verbundhalbzeuge Tepex ein. Die thermoplastischen Laminate werden mit Glas-, Carbon- oder Aramidfasern in Form von Geweben oder Wirrfasermatten verstärkt. Als Matrixwerkstoff steht eine breite Auswahl an Thermoplasten wie etwa Polypropylen, Polyamid 6, 66 und 12 oder PPS zur Verfügung. Die plattenförmigen Halbzeuge werden anwendungsspezifisch zugeschnitten und so an die Geometrie des jeweiligen Bauteils angepasst. Die Verarbeitung der Halbzeugzuschnitte erfolgt durch Erwärmen und Umformen – im Gegensatz zu Duromeren, die im Werkzeug chemisch ausreagieren. Die wesentlichen Eigenschaften sind damit schon im Halbzeug definiert und nicht erst im Fertigungsprozess – ein wesentlicher Vorteil für den Verarbeiter.

Nachbearbeitungsfreie Bauteile im Hybrid-Molding-Verfahren

Mit Simulation zur Serie

Mit Hilfe der Simulationstools helfen Experten, Composite-Bauteile konstruktiv richtig auszulegen und den Herstellungsprozess zu optimieren. (Bildquelle: Lanxess)

Die meisten Serienbauteile aus dem Faserverbundwerkstoff werden inzwischen im Hybrid Molding-Verfahren gefertigt. Dabei wird der Halbzeugzuschnitt direkt im Spritzgießwerkzeug umgeformt und an ausgewählten Stellen mit einem Thermoplasten hinterspritzt. Dadurch wird der Prozess verkürzt und ein Umformwerkzeug eingespart. Das Resultat sind nacharbeitsfreie, konturgenaue Bauteile in hoher, reproduzierbarer Qualität. Dieser Prozess ermöglicht komplexe Geometrien und bietet große Designfreiheiten. Funktionselemente wie Aufnahmen, Halter und Befestigungselemente lassen sich direkt integrieren. Typisch sind Zykluszeiten von meist unter 60 Sekunden.

Um Anwender bei der Entwicklung von Bauteile zu unterstützen, stehen im Technikzentrum des Rohstoffherstellers in Brilon zwei Anlagen für Verarbeitungsuntersuchungen zur Verfügung. Mit der jüngsten Anlage kann der Faserverbundwerkstoff in einem vollautomatisierten, seriennahen Prozess sowohl verformt als auch im Hybrid Molding-Verfahren zeitgleich verformt und überspritzt werden.

 

Komplexes Verformungs- und Materialverhalten

Der Umformmechanismus der plattenförmigen Halbzeuge, auch Drapierung genannt, ist völlig anders als bei Metallen. Er fußt auf einer Winkeländerung zwischen den Kett- und Schussfäden der Gewebestruktur (Trellis-Effekt). Die Faserstreckung und -dehnung leisten kaum einen Beitrag zur Formbarkeit. Die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit sind richtungsabhängig (anisotrop), das Verhalten ist nicht-linear und dehnratenabhängig.

Für die erfolgreiche Entwicklung eines Leichtbauteils ist es deshalb essenziell, das Verformungs- und Materialverhalten der Composites simulativ nachzustellen und beschreiben zu können. Die entsprechenden CAE-Tools sind Bestandteil des Hi-Ant-Services. So wurde ein neues Materialmodell aufgestellt, das das anisotrope Verhalten endlosfaserverstärkter Thermoplaste präzise beschreibt. Es deckt statische und Crash-bezogene Berechnungen ab. Über diesen kompletten Berechnungsservice hinaus besteht für Verarbeiter die Möglichkeit, Bauteile selbständig auszulegen. In Kooperation mit der Firma E-x-stream Engineering wurde daher eine zusätzliche Lösung entwickelt, bei der das mechanische Materialverhalten von Tepex über Digimat in der Simulation abgebildet wird. Diese Lösung steht nun als Plug-in für gängige CAE-Codes zur Verfügung. Vorteil für den Anwender ist, dass er auf die gleiche leistungsfähige Materialbeschreibung unabhängig von Solver und Berechnungsart zugreifen und Bauteile in der eigenen, bekannten CAE-Umgebung verlässlich mechanisch auslegen kann.

 

Präzise Umformsimulation

Außerdem wurde ein Simulationstool für den komplexen Umformungsprozess der Halbzeuge entwickelt. Mit ihm kann auch für mehrlagige Gewebe berechnet werden, wie die Endlosfasern im umgeformten Composite selbst in Bauteilbereichen mit starker 3D-Kontur lokal orientiert sind. Handling- und Werkzeugkonzepte können validiert und die Zuschnittkontur optimiert werden. Auch unerwünschte Effekte wie eine Faltenbildung im Composite-Bauteil lassen sich früh erkennen und durch Gegenmaßnahmen verhindern.

Die Güte und Präzision der Umformsimulation zeigt sich am Beispiel eines Demonstratorwerkzeugs, das dem Composite-Werkstoff alles abverlangt. Herausforderung sind unter anderem hohe Umformgrade mit teils sehr kleinen und insgesamt sehr unterschiedlichen Radien. Die Umformsimulation bildet nicht nur die lokalen Winkeländerungen, sondern auch die relative Verschiebung der einzelnen Faserlagen präzise ab. Auf Basis des Scherwinkels als Maß für die Verschiebung des Gewebes kann die Drapierung weiter optimiert und schonender gestaltet werden.

 

Mit Simulation zur Serie

Pkw-Sitzschale als Composite Hybrid-Bauteil mit flächigem Faserverbund-Einleger sowie spritzgegossenen Rippen und Funktionselementen. (Bildquelle: Lanxess)

Anwendungsfokus Sitzschale

Eine Serienanwendung, in der sich das neue Tool zur Umformsimulation und auch das neue Materialmodell bereits mehrfach bewährt haben, sind Pkw-Sitzschalen. Endlosfaserverstärkte Thermoplaste etwa mit Polyamid 6-Matrix sind für solche Sicherheitsbauteile gut geeignet, denn sie zeichnen sich durch Zähigkeit sowie ein gutes Crash-Verhalten aus und erfüllen wichtige Anforderungen in puncto Sitzkomfort, Akustik und Schwingungsverhalten. Die Integration von Funktionen wie Befestigungspunkten oder Schnittstellen für Anbauteile spart zudem Kosten. Die Substitution der Metallverstärkung ermöglicht Gewichtseinsparungen von deutlich über 30 Prozent.

Der flächige Bereich der Schale wird durch den Composite-Einleger abgebildet, weshalb nicht zentrale, sondern umlaufende Anspritzpunkte günstiger sind. Dies bringt häufig längere Fließwege mit sich. Für dünnwandige Leichtbaulösungen empfiehlt sich daher der Einsatz maßgeschneiderter leichtfließender Spritzgießmaterialien, die zugleich mechanisch sehr leistungsfähig sind. Ein Beispiel hierfür ist das auf Tepex abgestimmte, mit 55 Prozent Kurzglasfasern verstärkte Polyamid 6 Durethan BKV 55 TPX.

 

 

Mit Simulation zur Serie

Der Service umfasst Engineering-Dienstleistungen entlang des gesamten Produktentwicklungsprozesses. (Bildquelle: Lanxess)

Weiterentwicklung

Die CAE-Tools für endlosfaserverstärkte Thermoplastcomposites werden weiter  optimiert und verfeinert. Kürzlich gelang beispielsweise die Entwicklung eines Modellierungsansatzes, der die Temperaturverteilung im erwärmten Laminat während und nach dem Umformen im Spritzgießwerkzeug abbildet. Die hohe Genauigkeit der Modellierungsmethode führt auch zu einer schnelleren Abmusterung, weil sich passendere Halbzeugzuschnitte für ein Bauteil ermitteln lassen. Zeit- und Kostenersparnisse sind die Folge.

 

Fakuma 2015

Halle/Stand B4/4209

Über die Autoren

Dr. Klaus Küsters

ist im Global Product and Application Development bei Lanxess Deutschland, Köln, tätig.

Pablo Willms

ist im Customer Engineering Services in der Business Unit High Performance Materials bei Lanxess Deutschland in Köln tätig.