Kunststoff-Spritzguss

Kurzfaserverstärkte Platte von Fraunhofer LBF generiert unidirektionale Materialdaten

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Simulierte Faserorientierung der neuentwickelten unidirektionalen Platte in Füllrichtung: Die Farbskala zeigt die normierte Faserausrichtung in Hauptfließrichtung an (Bild: Fraunhofer LBF)
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Bauteil-Simulation | Wie lassen sich die mechanischen Eigenschaften eines Werk-stoffes bestmöglich ausnutzen? Diese Frage haben Wissenschaftler am Fraunhofer LBF mit einem optimierten Spritzgusswerkzeug beantwortet, das kurzfaserverstärkte Platten für unidirektionale Probekörper herstellt.

Nicht nur umweltfreundlich und Ressourcen schonend: Das neu entwickele Werkzeug des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt ermöglicht die Herstellung von kurzglasfaserverstärkten unidirektionalen Platten, um daraus hochorientierte Probekörper für Zugversuche anzufertigen.

Da sich die in der Kunststoffschmelze enthaltenen Fasern während des Spritzgießens in der Kavität des Werkzeugs ausrichten, entstehen beim Füllen der Kavität durch die strömungsinduzierte Verteilung der Verstärkungsfasern und formwandnahe Scherkräfte lokal anisotrope Materialeigenschaften. „Der Herstellungsprozess muss somit in die Analyse der mechanischen Eigenschaften bei der Bauteilauslegung einbezogen werden, erklärt Tamara van Roo, die am Fraunhofer LBF das Projekt verantwortet. „Die integrative Simulation, die die Simulation des Spritzgießvorgangs mit der anschließenden FEM-Berechnung verkettet, ist damit zu einem mächtigen Hilfsmittel bei der Bauteilauslegung geworden.“

Uniaxiale Materialdaten werden sowohl für die mikromechanische Modellierung, als auch für phänomenologische Kriterien benötigt. Für eine möglichst werkstoffnahe Beschreibung werden homogene Orientierungszustände bevorzugt. Ein derartiger Zustand ist beispielsweise eine Platte, in der 100 % der Fasern in Fließrichtung orientiert sind. Dann liegt Unidirektionalität (UD) vor.

Konzept der UD-Platte schafft Wettbewerbsvorteile

Die neue UD-Platte ist so ausgelegt, dass sie an einer Standard-Spritzgussmaschine hergestellt werden kann. Somit ist sie kostengünstig und auch für KMU zugänglich. Sie erlaubt die Extraktion von Probekörpern, die winkelspezifische Materialkennwerte liefern. So lässt sich die Materialmodellierung optimal anpassen, was beim Auslegen eines neuen Bauteils die Präzision steigert und Wettbewerbsvorteile verschafft.

„Die Ermittlung der winkelabhängigen Kennwerte ist auch im Hinblick auf Umweltschutz wichtig. Denn Bauteile, die im frühen Konstruktionsstadium schon zuverlässig ausgelegt werden, können mit minimalem Gewicht und Materialeinsatz entwickelt werden. Das schont Ressourcen“, betont van Roo.

Zum Überprüfen der Werkzeugauslegung vergleicht die LBF-Wissenschaftlerin die gemessenen Faserorientierungswerte mit den Ergebnissen der Simula-
tion: Die Simulation bietet ein valides Abbild der wahren Faserorientierung. In der Mittelschicht wird sogar die vorausgesagte Faserorientierung übertroffen: Da mehr als 80 % der Fasern in Spritzrichtung orientiert sind, kann von einem unidirektionalen Zustand gesprochen werden. (su)

www.lbf.fraunhofer.de
Auf der Messe K: Halle 7, Stand SC09


Bestimmung der Materialkennwerte

Die realitätsnahe Simulation von unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Kunststoffbauteilen unter quasistatischer-, thermischer- oder Crashbelastung erfordert eine detaillierte Beschreibung des Materialverhaltens in Form einer Materialkarte, die im FEM-Programm verwendet werden kann. Zum Erstellen solcher Materialkarten müssen experimentell ermittelte Materialkennwerte sowie Mikrostrukturinformationen softwarespezifisch und anwendungsfallbezogen aufbereitet und angepasst werden. Ziel ist die Reduzierung von Entwicklungszeiten. Das Fraunhofer LBF bietet alle Methoden zur Bestimmung der für die Struktursimulation relevanten Materialkennwerte aus einer Hand.


Kontakt zum Institut:

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Bartningstraße 47
64289 Darmstadt
Tel. +49 (0)6151 705-0
Mail: info@lbf.fraunhofer.de

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