Faserverstärkte Kunststoffe

Im Leichtbau – z. B. bei Bohrmaschinengehäusen – ersetzen faserverstärkte Kunststoffe immer mehr Metalle als Werkstoff.

Adaptive Approximationsverfahren zur Multiskalensimulation des nichtlinearen Verhaltens von Kompositen

Projekt MuSiKo

Faserverstärkte Kunststoffe spielen im Leichtbau eine große Rolle. Gründe hierfür sind das gute Gewicht-Steifigkeitsverhältnis sowie die kosteneffizienten und massenproduktionstauglichen Fertigungsverfahren. Bei mikrostrukturierten Materialien hängt das makroskopische Deformations- und Versagensverhalten maßgeblich von der Mikrostruktur ab, da sie vom Herstellungsprozess beeinflusst wird. Zur Vorhersage dieser Effekte reicht eine rein makroskopische Betrachtung oft nicht aus oder es müssen komplizierte phänomenologische Modelle verwendet werden, welche nur für spezielle Versagensfälle gültig sind. 

Verbundforschungsvorhaben MuSiKo

Im BMBF-Verbundprojekt MuSiKo entwickeln wir effiziente Mehrskalensimulationstechniken gemeinsam mit Forschern der Technischen Universität Kaiserslautern, der Universität des Saarlandes und des Karlsruher Institutes für Technologie. Die Abkürzung steht für »Adaptive Approximationsverfahren zur Multiskalensimulation des nichtlinearen Verhaltens von Kompositen«. Die Industriepartner Robert Bosch GmbH und Siemens PLM Software unterstützen das Forschungsprojekt.

Der verwendete Mehrskalenansatz basiert auf einer gekoppelten Lösung des makroskopischen und des mikroskopischen Problems. Als Eingangsparameter für die Simulation müssen lediglich die Eigenschaften der Matrix und der Fasern, sowie die lokale Faserorientierung bestimmt werden. Das mechanische Verhalten auf der Bauteilebene ergibt sich durch die gemittelten mikroskopischen Größen.

Prozesskette für glasfaserverstärkte Kunststoffe

Im Projekt haben wir beispielsweise die komplette Prozesskette für glasfaserverstärkte Polybutylenterephthalat-Kunststoffe (PBT) durchgeführt – von der Messung der Kunststoffeigenschaften über die Bestimmung der Faserorientierung mittels µCT bis hin zur Mehrskalensimulation. Die Simulationsergebnisse sind durch entsprechende Bauteilmessung validiert. Durch diese Simulationstechnik ist es möglich den Spritzgussprozess (z.B. Temperatur, Angussstellen) von faserverstärkten Bauteilen, hinsichtlich der Bauteilfunktionalität zu optimieren.

Virtuelle Mikrostruktur kurzfaserverstärkter Kunststoff
© ITWM

Virtuelle Mikrostruktur (Strukturgenerierung mit der Software GeoDict) eines kurzfaserverstärkten Kunststoffes mit 30% Glasfasergehalt: Spannungsverteilung in Fasern.

Matrixschädigung
© ITWM

Matrixschädigung: hohe Schädigung in roten Bereichen und niedrige im blauen Bereichen.

Spannungsverteilung in Filtergehäuse
© ITWM

Spannungsverteilung in Filtergehäuse der Firma Filtran unter Innendruck, hohe Spannung im roten Bereich, niedrige Spannung im blauen Bereich.

Projektpartner

  • Technische Universität Kaiserslautern (Lehrstuhl für Technische Mechanik)
  • Universität des Saarlandes (Institut für Angewandte Mathematik und Lehrstuhl für Technische Mechanik)
  • Karlsruher Institut für Technologie (Institut für Angewandte und Numerische Mathematik)
  • Robert Bosch GmbH
  • Siemens PLM Software