Kurzglasfaser verstärkte, thermoplastische Spritzgussformteile ersetzen immer häufiger herkömmliche aus Stahl oder Aluminium. Ein phänomenologisches Berechnungskonzept verkürzt jetzt deren Auslegung.
In Validierungssimulationen zeigen sich die Potenziale der neu entwickelten Methode und deren Einsatzmöglichkeiten, etwa optimierte anisotrope Ansätze und vereinfachte phänomenologische Modelle.
Fraunhofer LBF
Typische Einsatzgebiete für Kurzglasfaser verstärkte, thermoplastische Spritzgussformteile sind die Automobilindustrie oder auch die Luft- und Raumfahrt. Insbesondere im Automobilbau, der große Stückzahlen in kürzester Zeit benötigt, ist der Spritzgussprozess ein effizientes Herstellungsverfahren von Kunststoffbauteilen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) haben jetzt ein Berechnungsverfahren vorgestellt, mit dem sich die Faserorientierung von Kurzglasfaser verstärkten Spritzgussformteilen in einer frühen Entwicklungsphase berücksichtigen lässt. Mithilfe des Konzeptes sei es möglich, das richtungsabhängige Bauteilverhalten auf Formelemente abzuschätzen und das Bauteil belastungsgerecht auszulegen, auch wenn beispielsweise noch keine Prototypen vorliegen, heißt es in einer Mitteilung des Instituts. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des IGF-Vorhabens 18362N "Phänomenologische Berechnungsstrategie für kurzfaserverstärkte Spritzgussformteile" erarbeitet, welches über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde.
Der Spritzgussvorgang beinhaltet fünf Operationsschritte ("Maschinenbau", Seite 1010):
- Plastifizieren (Schmelzen des Ausgangswerkstoffes, meistens Kunststoffgranulat, durch äußere Beheizung und innere Reibung infolge des Transportes durch die Förderschnecke).
- Dosieren (Fördern eines definierten Schmelzvolumens vor der Schneckenspitze durch die Rotation der Förderschnecke bei gleichzeitiger Rückwärtsbewegung der Schnecke).
- Spritzen (Anfahren der Spritzeinheit gegen die Angussöffnung der geschlossenen Spritzgießform und Formfüllung durch axiale Vorwärtsbewegung der Schnecke), Polymerisation der Duroplaste und Elastomere.
- Abkühlen (Abkühlen und Erstarren der Schmelze in der gekühlten Form bei gleichzeitigem Nachdrücken der Spritzeinheit zum Ausgleich der Schwindung – sobald das Werkstück am Anguss erstarrt ist, fördert die Schnecke neuen Ausgangswerkstoff vor die Schneckenspitze = Plastifizieren und Dosieren).
- Entformen (Zurückfahren der Spritzeinheit, öffnen der Form und Ausstoßen des Werkstückes – die Form wird anschließend wieder geschlossen und der Spritzzyklus beginnt von Neuem).
Werden nun Fasern in den Ausgangswerkstoff eingetragen, ist die Vorhersage der Faserorientierung, die sich durch Prozess, Material und Geometrie lokal einstellt, eine große Herausforderung, die weiterer Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen bedarf. Die bislang übliche Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Teilchen-, Kurzfaser-, Endlosfaserverstärkung in einer Kunststoff- oder Metallmatrix beschreiben die Springer-Autoren im Buch-Kapitel "Werkstoffe - Leistungspotenziale erkennen und nutzen" ab Seite 398.
Eine Methode, die Faserorientierung in die Auslegung von entsprechenden Formteilen einzubinden, ist die integrative Simulation, berichten die LBF-Wissenschaftler. Sie ermögliche es, relevante Prozessinformationen mithilfe einer geeigneten Schnittstelle in eine gekoppelte Struktursimulation zu überführen und so das Bauteilverhalten vorherzusagen. Die einzelnen Schritte der integrativen Simulation müssen jedoch allesamt stets mit experimentellen Daten validiert und kalibriert werden. Dies bedeutet, dass Prozessparameter und Werkzeuggeometrien bekannt sein und reale Formteile vorliegen müssen. Folglich bietet sich dieses Konzept erst dann in der Bauteilentwicklung an, wenn bereits Prototypen hergestellt werden können. Demgegenüber berücksichtige das im LBF entwickelte Verfahren die Faserorientierung von Kurzglasfaser verstärkten Spritzgussformteilen schon in einer Phase, in der noch keine Realbauteile vorliegen.
Spritzgusswerkzeug für Faserorientierungsuntersuchungen
Anders als in vollintegrativen Ansätzen erfolgt die Zuordnung der Faserorientierung bei dem LBF-Verfahren nach Institutsangaben nicht auf Basis von Finite-Elementen, sondern anhand von Formelementen oder signifikanten Bereichen. Dies können beispielsweise Rippen, Dome oder flächige Bereiche sein. Für die Untersuchung der Faserorientierung in Abhängigkeit vom Formelement und Anströmwinkel entwickelten die Wissenschaftler ein neues Spritzgusswerkzeug. Dieses bietet die Möglichkeit, bei gleichbleibender Formteilbasis unterschiedliche Formelemente zu integrieren. Als Wechseleinsätze für Formelemente kamen große und kleine Dome beziehungsweise Rippen zum Einsatz. Mit diesem Werkzeug ist es nun offenbar möglich, den Einfluss der Strömungsverhältnisse durch Variation des Anströmwinkels zu untersuchen. Weitere Einsätze lassen sich nach dem Konzept ergänzen. Das Werkzeug verfügt über zwei Kavitäten mit unterschiedlichen Wandstärken, welche unabhängig voneinander betrieben werden können. Die Basis der Formteile ist eine 60 x 60 mm große Platte.
Großes Spektrum der Faserorientierungen
Bei ihren experimentellen Faserorientierungsanalysen fanden die Darmstädter Wissenschaftler vielfältig ausgeprägte Faserorientierungen. Aus dem Orientierungstensor zweiter Stufe konnten sie die notwendigen Informationen für das angestrebte Modellierungsverfahren, nämlich Hauptorientierung und Grad der Verteilung, ableiten. Mit diesen Informationen ließen sich nun Anisotropiegrad und Vorzugsrichtung schichtweise ermitteln. Die Anzahl der Schichten könne hierbei als Änderung der Orientierungsverteilung (materialgerecht) oder als manuelle Vorgabe (erfahrungsbasiert) definiert werden. Ein automatischer Analysealgorithmus ermittelt für jede identifizierte Schicht ein geeignetes Materialmodell, beispielsweise isotroper- oder orthotroper Art, sowie alle notwendigen Modellparameter. Hierzu sind neben den Daten aus dem Computertomographen einfach zu ermittelnde mechanische Versuchsdaten als Eingabe notwendig.
Im Anschluss können diese Informationen auf das Bauteil der Struktursimulation übertragen werden (Mapping). Die Methode lasse sich sowohl auf Ergebnisse von Spritzgusssimulationen als auch auf Ergebnisse von CT-Analysen anwenden, so die LBF-Wissenschaftler. Neben einer vereinfachten Auslegungsstrategie ergäben sich weitere Anwendungsszenarien aus einer formelementabhängigen Informationsdatenbank. Einerseits könnten die Informationen genutzt werden, um Bauteile belastungsgerecht auszulegen, beispielsweise Rippen an den richtigen Positionen in optimaler Ausprägung und Ausrichtung. Andererseits habe sich gezeigt, dass die Ergebnisse genutzt werden könnten, um die Berechnungsergebnisse integrativer Ansätze zu optimieren.
Hauptkomponenten des Faserorientierungstensors (zweiter Ordnung) über die normierte Probendicke (oben: Dom klein. Links: Rippe längs zur Fließrichtung, rechts: Rippe senkrecht zur Fließrichtung).
Fraunhofer LBF