SMC-Prozesssimulation neu gedacht: Faserausrichtung realitätsnah modellieren – Bauteilqualität gezielt steigern

Am Fraunhofer ITWM entwickeln wir Simulationsmethoden, die helfen, Produktionsprozesse besser zu verstehen und zu optimieren. Ein aktuelles Beispiel ist unsere neue Lösung zur Simulation von Sheet Molding Compounds (SMC), mit der wir die Produktion von faserverstärkten Kunststoffen präzise modellieren. SMC ist ein vielseitiger Werkstoff aus Glas- oder Karbonfasern und Harz, der häufig in der Automobil-, aber auch vielen anderen Industrien zum Einsatz kommt. Kern unseres Ansatzes ist die realitätsnahe Vorhersage der Orientierung von Faserbündeln im Material, ein entscheidender Faktor für die Festigkeit und Qualität des fertigen Bauteils. 

SMC gehören seit Jahrzehnten zu den etabliertesten Faserverbundwerkstoffen, der sich gut für den Leichtbau eignet. Die Orientierung der Fasern bestimmt wesentlich, wie stabil und belastbar das fertige Bauteil ist. Lange Fasern in einem duroplastischen Harz machen das Material stabil, leicht und für die Serienfertigung geeignet. Aktuell gewinnen insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Varianten (C-SMC) an Bedeutung, die mit Faseranteilen von bis zu 60 Prozent verarbeitet werden können. Gerade in der Automobilindustrie helfen SMC dabei, Fahrzeugstrukturen leichter zu machen – was sowohl den Energieverbrauch als auch die Umweltbelastung reduziert.

Faserorientierung im Blick: Polarisationsbildgebung ergänzt die Simulation

Neben der modellbasierten Vorhersage setzen wir auch auf innovative bildgebende Verfahren, um die Orientierung von Faserbündeln sichtbar zu machen – und zwar direkt an der Materialoberfläche. Kohlenstofffasern reflektieren Licht auf charakteristische Weise: Sie polarisieren es. Genau diesen Effekt nutzt die vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entwickelte Polarisationskamera, um die Faserorientierung in kohlenstofffaserverstärkten Sheet Molding Compounds (C-SMC) zu zeigen. Das geschieht in Echtzeit, berührungslos und ohne aufwendige Probenpräparation. Das Verfahren eignet sich sowohl für die Qualitätskontrolle in der laufenden Produktion als auch für die Validierung von Simulationsdaten. Methoden dafür entwickeln wir gemeinsam mit dem IVW im IGF-Projekt »Maschinelles Sehen für Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe« 

Ausblick: Struktursimulation von SMC-Bauteilen für effiziente Werkstoffe 

Eine realitätsnahe Simulation des SMC-Prozesses ist möglich, wenn Harz- und Faserverhalten getrennt berücksichtigt werden – und die Ergebnisse mit hochauflösenden Bilddaten überprüft werden. Die Methode verbessert die Vorhersagbarkeit von Bauteileigenschaften und hilft, Materialien effizienter einzusetzen.

»Unsere Lösung liefert erstmals robuste und industriepraktikable Eingangsdaten für die Struktursimulation von SMC-Bauteilen«, erklärt Projektleiter Dr. Hannes Grimm-Strele vom Fraunhofer ITWM. »Das ermöglicht eine durchgängige digitale Prozesskette – vom Materialmodell bis zum virtuellen Bauteiltest.«

Die neue Methode ist ein weiterer Schritt hin zu effizienteren Werkstoffen, optimierten Produktionsprozessen und leichteren, leistungsfähigeren Bauteilen, insbesondere im automobilen Leichtbau.