Strömungssimulation von Fasersuspensionen

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe verfügen über große Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien. Bei vergleichbarer Festigkeit sind sie wesentlich leichter als z. B. metallische Werkstoffe, sind für dauerhaften Einsatz geeignet, sind korrosionsbeständig und können durch gezielte Einstellung der Faserorientierung den großen Nachteil von polymeren Werkstoffen - ihre geringe Steifigkeiten - aufheben. Das geringe Gewicht von Verbundwerkstoffen macht sie zu idealen Materialien für die Produktion energieeffizienter Transportmittel sowohl in der Automobil- und Flugzeug- als auch in der Schiffsbauindustrie. Da Verbundwerkstoffe insbesondere in der Automobilindustrie in der Massenproduktion eingesetzt werden, können schon kleine Einsparungen im Einsatz von relativ teurem Fasermaterial erhebliche ökonomische Vorteile haben.

Besonders bei der Nutzung von Glasfasern kann eine weitere Gewichtsreduzierung der produzierten Teile und damit Energieeinsparung im späteren Einsatz nur durch Reduktion des Faseranteils erreicht werden. Da jedoch die Fasern verantwortlich sind für die verbesserten mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, ist es für die Erhaltung der hervorragenden mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes essenziell, die anisotropen Materialeigenschaften der Fasern optimal durch eine prozessgesteuerte Einstellung der Faserorientierung schon in der Produktion des Verbundwerkstoffes auszunutzen. Je genauer die Faserorientierung vorhergesagt werden kann, um so größer ist das Einsparpotenzial.

Vergleich der Orientierung in Strömungsrichtung von links nach rechts bei konstanter Viskosität (keine Rückkopplung der Faserorientierung auf das Fließverhalten) und orientierungsabhängiger Viskosität

 

Am Fraunhofer ITWM werden deshalb schon seit mehreren Jahren in Zusammenarbeit mit Industrie und experimentell orientierten Fraunhofer-Instituten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, in denen die in kommerziellen Codes existierenden Materialmodelle und numerischen Algorithmen entscheidend verbessert werden. Ein Hauptproblem bei den üblicherweise verwendeten Modellen ist die Vernachlässigung der Rückwirkung der Faserorientierung auf die Fließeigenschaften der Fasersuspension. Diese Modellannahme ist jedoch bei den technisch relevanten Faserkonzentrationen nicht gerechtfertigt. Die beiden Abbildungen rechts zeigen, welche dramatischen Unterschiede in der Faserorientierung entstehen, wenn die Rückwirkung der Faserorientierung berücksichtigt wird. Besonders interessant ist die qualitativ unterschiedliche räumliche Anordnung von Grenzflächen, an denen die Faserorientierung sich stark ändert. In realen Bauteilen sind es nämlich gerade diese Grenzflächen, an denen Risse unter Belastung entstehen können. Es ist deshalb von entscheidender technologischer Bedeutung, solche Grenzflächen zu vermeiden oder zu garantieren, dass sie nur in Bereichen auftreten, an denen im späteren Einsatz keine großen mechanischen Belastungen auftreten.

Weiterentwicklungen wurden auch im Bereich flexibler Fasern und in der verbesserten Modellierung von topologischen Wechselwirkungen von Fasern untereinander durchgeführt. Alle Entwicklungen werden in der ITWM-eigenen Softwareentwicklungsplattform CoRheoS als Modul CoRheoFiber implementiert und in realen dreidimensio-nalen Anwendungen getestet. Die un- tere Abbildung zeigt dazu die Faserorientierung in einem dreidimensionalen Testkörper. Zusätzlich wurden - wenn möglich - Schnittstellen zu kommerziellen Softwarepaketen geschaffen, die es erlauben, die Entwicklungen am ITWM an eine In-Haus-Softwareausstattung anzukoppeln.