Optimierte Simulationen durch Scans von Bauteilen

Ausgangslage: Eingeschränkte Möglichkeiten zur Beschreibung faserverstärkter Kunststoffe

Bislang war die Beschreibung faserverstärkter Kunststoffe mit bildgebenden Ansätzen nur eingeschränkt möglich. Typische Herausforderungen der Visualisierung sind:

• Konflikt zwischen Bauteilgröße und Auflösung: Größere Bauteile lassen sich oft nur mit reduzierter Auflösung erfassen. 
• Zerstörung von Proben: Um einzelne Fasern sichtbar zu machen, müssen Bauteile häufig in kleine Proben zerschnitten werden. Dabei geht die reale Faserarchitektur des Gesamtbauteils verloren.
• Aufwendige Bildauswertung: Die Segmentierung einzelner Fasern oder Faserbündel aus reinen Absorptionsdaten ist rechenintensiv und mit Unsicherheiten verbunden. Das beeinflusst direkt die Qualität von Materialmodellen und Simulationsergebnissen.

FiberScanner 3D: 3D-Erfassung der Faserstruktur

Für zuverlässige digitale Zwillinge ist die dreidimensionale Faserorientierungsverteilung im gesamten Bauteil entscheidend. Deswegen entschieden sich die Projektpartner für den Einsatz eines Scanners, der die vollständige 3D-Erfassung sowie eine Darstellung der Faserstruktur ermöglicht. Diese Messdaten bilden die Grundlage für simulationsfähige Material- und Strukturmodelle bei uns am Fraunhofer ITWM.

Die Methode FiberScanner3D von Xnovo Technology kombiniert Absorptions- und Streudaten der Röntgenmessung. Aus dieser multimodalen Analyse lässt sich die lokale Faserorientierungsverteilung für komplette Bauteile bis zur Größe von 150 × 100 × 80 mm³ bestimmen.
 

Das eröffnet folgende Möglichkeiten:

• 3D-Faserorientierung in jedem Voxel 
• Lokaler Faservolumenanteil
• Anisotropie der Fasern
• Poren- und Einschlussanalyse für Hohlräume, Defekte
• Nominal–Ist-Vergleich zwischen CAD-Geometrie und tatsächlicher Geometrie
• Netzerzeugung für hochaufgelöste FE-Modelle

Fallstudie: Digitaler Zwilling eines spritzgegossenen PPA-/CF-Bauteils

Eine durchgeführte Fallstudie veranschaulicht die Erstellung eines hochpräzisen Digitalen Zwillings unter Einsatz eines einzigartigen Arbeitsablaufs für das 3D-Fasermapping des gesamten Bauteils. Das resultierende Modell erfasst zerstörungsfrei den tatsächlichen Fertigungszustand des Bauteils und berücksichtigt dabei fertigungsbedingte Abweichungen in Form und Faserausrichtung. Aus dem FiberScanner3D-Scan werden sowohl die reale Bauteilgeometrie als auch die dreidimensionale Verteilung der Faserorientierungen im gesamten Volumen rekonstruiert.

Simulationsergebnisse: Einfluss der Faserorientierung auf Spannungen und Kräfte

Die Ergebnisse sind eindeutig: Die Einbindung der Faserorientierungsdaten hat deutlichen Einfluss auf die vorhergesagten Spannungen und Reaktionskräfte. Die Simulation ohne Faserorientierungsinformation unterschätzt sowohl die maximale Spannung als auch die Reaktionskraft signifikant. Mit der Modellierung auf Basis der FiberScanner3D-Daten wird ein wesentlich höheres Beanspruchungsniveau prognostiziert.

Das zeigt: Die Faserverbundstruktur ist für die Belastbarkeit eines Bauteils unter Torsion wesentlich bestimmend.

Ergebnis überzeugt

Mit den 3D-Scans der Faserstruktur steht eine hochgenaue Alternative zur Spritzguss-Simulationen zur Verfügung. Dies ist insbesondere dann wertvoll, wenn bei ungekannten Parametern des Herstellungsprozesses genaue Aussagen über die Bauteilperformance erforderlich sind.