Abbildung von Fertigungseinflüssen auf das Verhalten kurzfaserverstärkter Kunststoffe über die Verwendung einer netzfreien Simulationsmethode

Autor: Lennart Veltmaat

ISBN: 978-3-95900-790-0

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2023

Herausgeber der Reihe: Hans-Josef Endres

Band-Nr.: IKK 01/2023

Umfang: 142 Seiten, 53 Abbildungen

Schlagworte: Kurzfaserverstärkte Kunststoffe, Faserorientierung, Netzfreie Simulation, Anisotropes Materialmodell

Kurzfassung: Fertigungseinflüssen sind bei der Auslegung von kurzfaserverstärkten Kunststoff-Bauteilen von hoher Bedeutung. Im Spritzguss entstehende Faserorientierungen können das mechanische Verhalten des Materials beeinflussen, sodass diese Effekte bei der durch die Finite-Elemente-Methode unterstützten Produktentwicklung berücksichtigt werden sollten. Ziel dieser Arbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen der Spritzgussfertigung und den mechanischen Eigenschaften zu verstehen und numerisch abzubilden. Ein Verfahren, um die Genauigkeit der Finite-Elemente-Simulation von kurzfaserverstärkten Kunststoffen zu verbessern, ist die Abschätzung der Faserorientierung aus Spritzgießsimulationen. Die so berechneten Faserorientierungen werden für die anisotrope Materialmodellierung genutzt. Die Qualität der Spritzgießsimulation ist in diesem Verfahren somit ausschlaggebend für die Verlässlichkeit des Materialmodells. Spritzgießsimulationen und die Vorhersage der Faserorientierung zu verbessern ist in diesem Kontext ein stetiges Forschungs und Entwicklungsthema. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz für die Spritzgießsimulation vorgestellt. Dabei wird die Finite-Pointset-Method verwendet, welche aufgrund ihres netzfreien Ansatzes Vorteile gegenüber etablierten, netzbasierten Verfahren zeigt. Diese Methode wird kombiniert mit einem Ansatz für die Prognose der Faserorientierungen, wobei die Orientierung einzelner Fasern betrachtet wird. Über experimentelle Messungen wird das Modellverhalten sowohl hinsichtlich der Abbildung der Strömung im Spritzguss als auch der Faserorientierung validiert. Um ein fundiertes Bild der Wirkzusammenhänge bei Spritzgießen zu erlangen, werden Fertigungsparameter variiert und die resultierenden mechanischen Eigenschaften des Materials in Zugversuchen gemessen. Es zeigt sich dabei, dass die Bauteildicke und die Entfernung zum Anguss relevante Einflüsse auf die Materialeigenschaften haben. Über mikro-Computertomographie-Messungen können diese Einflüsse Änderungen in der sich ausprägenden Faserorientierung zugewiesen werden. Durch die Einbindung der mit der Finite-Pointset-Method berechneten Faserorientierungen in Finite-Element-Simulationen wird die Prognosegüte der Modellierung untersucht hinsichtlich der Zusammenhänge zwischen Spritzguss und mechanischen Verhalten. Zudem zeigt die Anwendung der entwickelten Methode für die Simulation des Verhaltens eines realen Bauteils die industrielle Anwendbarkeit.