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17.11.2016 | Werkstoffe | Nachricht | Onlineartikel

Materialverhalten langfaserverstärkter Thermoplaste hochgenau bestimmen

Autor:
Andreas Burkert

Das IWM hat ein Simulationsmodell entwickelt, um örtlich stark variierende Mikrostrukturen eines Werkstoffs zu bestimmen. So lässt sich das Materialverhalten etwa von LFT noch genauer erfassen.

Dr. Sascha Fliegener vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat ein Simulationsmodell entwickelt, um örtlich stark variierende Mikrostrukturen eines Werkstoffs wie langfaserverstärkte Thermoplaste LFT zu bestimmen. So lässt sich das Materialverhalten noch genauer erfassen. LFT nutzt die Automobilindustrie für den Leichtbau von beispielsweise Stoßfängerträgern oder Türmodulen. Um das maximale Leichtbaupotenzial von Bauteilen zu erschließen, muss die örtlich stark variierende Mikrostruktur des Werkstoffs in Simulationen berücksichtigt werden. Mit derzeitigen Methoden ist dies jedoch nur vereinfacht möglich.

Um heute ein LFT Bauteil im Computer auszulegen, verwenden die Automobilzulieferer meist die seit Jahren etablierten, analytischen Methoden für Kurzfaserverbundwerkstoffe. Diese können die Interaktion zwischen den Fasern aber nur stark vereinfacht abbilden. Bei LFT sind solche Interaktionen jedoch wegen der hohen Faserlänge und der teilweise hohen Fasergehalte besonders wichtig, um das Materialverhalten und die Schädigungsvorgänge innerhalb der Mikrostruktur präzise vorhersagen zu können. "Meine mikrostrukturbasierte Simulation ist ein wesentlicher erster Schritt auf dem Weg dahin, diese Interaktionen beim Auslegen der Bauteile berücksichtigen zu können", erklärt Fliegener, Wissenschaftler in der Gruppe Verbundwerkstoffe am Fraunhofer IWM.

Realitätsgetreue Abbildung der Mikrostruktur von langfaserverstärkten Thermoplasten

Mit seinem neuen Mikrostrukturmodell kann Fliegener die Faserstruktur an beliebigen Stellen eines LFT-Bauteils realitätsgetreu rekonstruieren. Welche Ausrichtung haben die Fasern an dieser speziellen Stelle im Material? Wie eng liegen die Fasern dort beieinander und welche Länge haben sie? "Damit können wir nun das mechanische Verhalten des Materials und die komplexen Schädigungsvorgänge bei zunehmender Belastung vorhersagen“, erklärt Fliegener. Die zugrundeliegenden mikromechanischen Vorgänge beim Versagen einer Materialprobe sind im Experiment nicht zu sehen. Mithilfe der Simulationsmethode – quasi unter der virtuellen Lupe – kann jedoch sehr gut visualisiert werden, wie sich die mechanischen Spannungen auf der Mikrostrukturebene von der Matrix auf die Fasern umlagern, bis diese schließlich ihre Festigkeitsgrenze erreichen und der Werkstoff versagt.

Zum anderen ist es möglich, mit den Mikrostrukturdaten der betrachteten Bauteilstelle eine virtuelle Materialprobe im Computer zu generieren. Diese virtuelle Probe kann Fliegener mit strukturmechanischen Simulationen untersuchen und die Materialeigenschaften wie Elastizität, Festigkeit und Kriechverhalten berechnen, die an der betrachteten Stelle im Bauteil auftreten. Ein weiterer Vorteil: Fliegener kann virtuelle Experimente durchführen, die in der Realität nicht machbar wären. Da die Bauteilwände in der Regel sehr dünn sind, ist es schwierig, sinnvolle Proben an allen gewünschten Bauteilstellen heraus zu präparieren. Mit den virtuellen Materialausschnitten jedoch kann er beispielsweise Materialeigenschaften in Dickenrichtung errechnen. Mit den Ergebnissen dieser virtuellen Experimente können die Autozulieferer ihre Materialmodelle zur Bauteilberechnung noch genauer kalibrieren: Die zugrundeliegende Datenbasis wird durch die Mikro-Simulationen gegenüber einer rein experimentellen Vorgehensweise erheblich erweitert.

Warum sind langfaserverstärkte Thermoplaste ideal für den Leichtbau im Automobil?

Langfaserverstärkte Thermoplaste LFT eignen sich ideal für den Leichtbau: Sie haben wenig Gewicht und werden kosteneffizient in Großserie gefertigt. Das Ausgangsmaterial für ein LFT-Bauteil ist eine Mischung aus thermoplastischem Polymer und Glas- oder Kohlenstofffasern, die bis zu zehn Zentimeter lang sein können. Die erwärmte Masse aus Polymer und Fasern wird zwischen zwei Formen gepresst oder in eine geschlossene Form gespritzt, um nach dem Erkalten die Geometrie des Bauteils zu erhalten. Bei diesem Vorgang richten sich die Fasern nach dem in der Form herrschenden Strömungszustand aus, die Mikrostruktur variiert an unterschiedlichen Stellen des Bauteils sehr stark und so entstehen verschiedene, ortsabhängige Materialeigenschaften.

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