Zahlreiche Faktoren beeinflussen das Material- und Bauteilverhalten von Kunststoffen. Hierbei spielt nicht nur die Faserorientierung eine wichtige Rolle. Bislang gibt es für die praktische Bauteilauslegung keine etablierten Methoden.
Kopplung von Prozess- und Struktursimulation
Fraunhofer LBF
Diesen Herausforderungen begegnet das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) mit der Entwicklung kundenspezifischer Methoden. Ziel sei es dabei, bestehende Strukturen sowie verfügbare Tools zu nutzen und die Methoden bestmöglich in Firmenstrukturen einzugliedern.
Kunststoffe zeigen ein sehr vielschichtiges, von diversen Einflussparametern abhängiges Materialverhalten. Zu erkennen ist dies beispielsweise bei der Nutzung von Verstärkungsfasern in technischen Bauteilen. Dort verbessern sie zwar das mechanische Verhalten signifikant, führen jedoch gleichzeitig zu einem komplexen richtungsabhängigen Material- und Bauteilverhalten. Darüber hinaus beeinflussen auch Umgebungseinflüsse, wie Temperatur und Luftfeuchte, aber auch Kontakte mit unterschiedlichen Medien (Benzin, Diesel, AdBlue) das Material- und Bauteilverhalten signifikant. Häufig überlagern sich diese Belastungen, wenn Medien zum Beispiel hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind. Hierdurch wird die Bauteilauslegung zusätzlich kompliziert.
Nicht nur Kräfte und Drücke zählen
Während der Auslegungsphase von technischen Bauteilen stehen im ersten Schritt die wirkenden mechanischen Lasten im Vordergrund. Für ein isotropes Materialverhalten können diese unmittelbar in Simulationsanwendungen definiert und berücksichtigt werden. Handelt es sich um ein faserverstärktes Material, so muss zur Berücksichtigung des anisotropen Materialverhaltens die Faserorientierung aus einer gekoppelten Spritzgießsimulation oder über phänomenologische Ansätze in die mechanische Simulation eingebunden werden. Entsprechende Tools erlauben in der Regel auch die Übertragung von Ergebnissen aus einer Schwindungs- und Verzugssimulation, um die deformierte Struktur und gegebenenfalls bereits hierdurch entstandene Spannungen zu berücksichtigen.
Medienkontakte, die das mechanische Verhalten, beispielsweise durch Quellung oder Materialdegradation, verändern, können in einer mechanischen Simulation nicht unmittelbar als Randbedingung definiert werden. Daher lässt sich das veränderte Materialverhalten nicht direkt in der Struktursimulation abbilden. Aus diesem Grund kommen häufig sogenannte Abminderungsfaktoren zum Einsatz, welche in der Anwendung häufig aus Literaturquellen von vergleichbaren Materialen entnommen werden. Hierbei wird zum Beispiel eine zulässige Spannung oder Dehnung angepasst und das Bauteil entsprechend ausgelegt. Dies kann für eine Vorauslegung ein erster Ansatz sein, um beispielsweise die grundliegende Eignung eines Materials abschätzen zu können. Für eine belastungsgerechte und ressourceneffiziente Bauteilauslegung gilt es jedoch, solche signifikanten Einflussgrößen auch experimentell zu untersuchen und die Auswirkungen korrekt, unter Verwendung praktikabler Methoden, in der Simulation zu erfassen.
Maßgeschneiderte Simulationsstrategien für schnelle Produktentwicklung
Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt das Fraunhofer LBF nach eigenen Angaben kundenspezifische, anwendungsorientierte Methoden und begleitet die Überführung in die bestehenden Abläufe und vorhandene Infrastruktur.
Während im Vorauslegungsstadium eine vereinfachte Strategie für erste Evaluationen herangezogen werde, können später, wenn mehr Informationen zum Bauteil und Material vorlägen, detailliertere Simulationen betrachtet werden, um das Bauteil belastungskonform und ressourceneffizient auszulegen. Somit sei es möglich, kostenintensive Entwicklungsschleifen zu reduzieren.