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05-12-2019 | Additive Fertigung | Nachricht | Article

Genaue Crashmodellierung faserverstärkter Kunststoffe

Author:
Andreas Burkert
2:30 min reading time

Für das genaue Bestimmen der Belastungsgrenzen und der Crashmodellierung faserverstärkter Kunststoffe steht Entwicklern nun eine Software zur nichtlinearen, multiskalare Material- und Strukturmodellierung bereit.

Mit der von e-Xstream Engineering soeben veröffentlichten Software-Version Digimat 2019.1 zur nichtlinearen, multiskalare Material- und Strukturmodellierung lassen sich Belastungsgrenzen faserverstärkter Kunststoffe exakt vorhersagen. Zudem ist eine genaue Crashmodellierung möglich. Die aktuelle Version liefert genauere Designwerte für faserverstärkte Composites, Anwender können den Strukturcrash von Sheet Moulding Compounds (SMC) modellieren und die Belastungsgrenzen beim Leichtbau werden mit der Camanho-Methode klarer erfasst. E-Xtream Engineering ist ein Unternehmen von MSC Software und Teil von Hexagon.

Die Software bietet Maschinenbauingenieuren einen neuen Ansatz, Belastungsgrenzen in sicherheitskritischen Bereichen zu ermitteln. Dieser Ansatz ergänzt reale Testreihen zur Bestimmung von Materialschwankungen und Materialverhalten durch die Simulation und macht "virtuelle Coupontests" zuverlässiger. So wurde in Digimat das von Professor Camanhos entwickelte progressive Schädigungsmodell eingebaut. Mit diesem Modell können Anwender umfassend modellieren, wie die Materialauswahl das Versagen von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (CFRP) vom Probestück bis hin zur hergestellten Platte beeinflusst. So können die Belastungsgrenzen genauer bestimmt werden. Ergänzende Modellentwicklungen ermöglichen es den Materialexperten, die Auswirkungen von Schäden wie Porosität, Welligkeit und Delamination besser abzuschätzen, um genauere Sicherheitsfaktoren und geeignete Toleranzen zu berechnen.

Leichtbau benötigt genauere Belastungsvorhersagen

Während bei Metallbauteilen Sicherheitsfaktoren und Materialgrenzwerte schon lange Routine sind, müssen angesichts des immer populäreren Leichtbaus genauere Versagenssimulation für Verbundwerkstoffe in Bauteilen getroffen werden. "Aufbauend auf Professor Camanhos ausgedehnten Forschungen können wir den Herstellern nun leistungsfähige Tools an die Hand geben, die ihre realen Tests ergänzen. Damit können sie Kosten sparen und das Material frühzeitig im Designprozess optimieren", so ein Sprecher des Unternehmens.

Unternehmensangaben zufolge wurde die Materialmodellierung auch für CFRP mit hohem Faseranteil verbessert. Mikrostrukturanalysen ersetzen jetzt die zufallsgenerierte Faserverteilung durch realistische Faserpositionen basierend auf dem statistischen Melro-Modell, so dass das Material direkt dimensioniert werden kann. Komplexe Geometrien so fein mit finiten Elementen zu vernetzen, dass sie den Verbundwerkstoff in der benötigten Detailgenauigkeit abbilden können, ist kaum machbar. Mit der Hilfe eines neuen so genannten Fast Fourier Transform (FFT)-Solver ist dies nun einfacher. Dieser Solver kann komplizierte Mikrostrukturen von Faserverbundmaterialien analysieren. Er beschleunigt die Rechnung um Faktor 10 bis 100. Da die zeitraubende Vernetzung wegfällt und die Rechnung schneller geht, können Anwender mehr Materialien über mehr Dimensionen hinweg virtuell ausprobieren.

Simulation des Fertigungsprozesses

Digimat 2019.1 bringt auch Fortschritte bei der Simulation des Fertigungsprozesses. Die Entwickler können nun genau die Lebensdauer bis zur Materialermüdung vorhersagen, um kurzfaserverstärkte Kunststoffe (SFRP) zielgerichteter zu optimieren. Aus der fortgesetzten Zusammenarbeit mit DSM Engineering Plastics ist ein neues Modell entstanden, das die Lebensdauermodellierung verbessert und die lokale Plastizität in SFRP unter konstanter Lastamplitude berücksichtigt.

Weiterhin bietet das Programm einen neuen Ansatz zur Strukturcrash-Modellierung, mit dem Entwickler besser untersuchen können, welche Auswirkungen typische Herstellprobleme auf Sheet Moulding Compounds (SMCs) haben, beispielsweise beim Leichtbau für den Auslegungspunkt bei Automobilanwendungen. Die Software berücksichtigt variierende Anisotropie, Schadensfortsetzung und Schwächung von Schweißnähten.

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