Betriebsfestigkeit kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Für eine erste Auslegung ist es sinnvoll, Bauteile oder Komponenten, die aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt werden, mit isotropen Materialmodellen zu bewerten. Dies führt aber zu entsprechend hohen Unsicherheiten. Aus diesem Grund empfehlen wir, den Einfluss des Herstellprozesses, im Speziellen der Faserorientierung bei der Lebensdaueranalyse zu berücksichtigen. Dabei ergibt sich folgender Prozessablauf:

  1. Spritzgusssimulation 
  2. Mappen der Faserorientierung auf das FE- Modell
  3. Erstellen des orthotropen und ev. nichtlinearen Materialmodells
  4. FE- Analyse
  5. Erstellen des FEMFAT Materials
  6. FEMFAT Analyse mit Berücksichtigung der Faserorientierung

Im Besonderen verwendet unser Prozess folgende Tools:

 

Abb. 1: Workflow Lebensdaueranalyse kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Die Spritzgusssimulation muss die lokale Faserorientierung durch ein feines Netz in Kerben auflösen und liefert als Ergebnis lokale Fasertensoren.

Die Übertragung bzw. Kopplung der Ergebnisse aus der Spritzgusssimulation auf das FE-Netz für die Strukturanalyse erfolgt mit einer Mapping-Software, in unserem Fall Digimat oder direkt in Moldex3D.

Bei der Erstellung der Materialdaten für die strukturmechanische Simulation sowie der Betriebsfestigkeitsanalyse stellen sich einige Herausforderungen, welche hier näher erläutert werden sollen.

Für die strukturmechanische Simulation als Ausgangsbasis für die Betriebsfestigkeitsbewertung beschränken wir uns auf anisotrope, lineare Materialdaten, welche in Faserrichtung und quer dazu definiert werden. Diese können für die parallele Richtung sehr einfach über Datenblätter der Hersteller ermittelt werden. Daten quer zur Faserrichtung müssen meist aufwändig gemessen werden. 

Beispielsweise wird für eine – auf den Ergebnissen von Moldex3D basierende - linear elastische FE-Analyse in ABAQUS ein anisotropes Material mit dem Typ ANISOTROPC definiert.

Eine zusätzliche Schwierigkeit stellt die Frequenzabhängigkeit der Messergebnisse dar, da im Vergleich zu Metallproben die Testfrequenz deutlich niedriger sein muss, um das übermäßige Erwärmen der Probe zu vermeiden. Als weitere Besonderheit hängen die Materialdaten - je nach Materialtyp - vom Konditionierungszustand (Feuchte) ab.

Trotz der zahllosen Herausforderungen erlaubt der beschriebene Prozess zuverlässige Aussagen bei der Lebensdauerbewertung kurzfaserverstärkter Kunststoffe. Dabei spielen unsere wertvollen Erfahrungen aus langjährigen PCCL-Projekten (Polymer Competence Center Leoben) mit Partnern wie BMW, Borealis, EMS, Evonik, Schaeffler und VW naturgemäß eine entscheidende Rolle.

Untersuchungen im Rahmen eines PCCL-Projekts haben jedoch gezeigt, dass Werkstoffkennwerte für dazwischenliegende Orientierungen mit guter Genauigkeit interpoliert werden können.

Je nach Einflussparameter, der in FEMFAT berücksichtigt werden soll, sind – wie auch von metallischen Werkstoffen bekannt – die entsprechenden Werte im Materialfile zu berücksichtigen. Um bei der Betriebsfestigkeitsanalyse – unter Zuhilfenahme des Moduls PLAST – die Nichtlinearität des Materials einzubeziehen, gilt es jedoch mehr Daten in die Berechnung einzubeziehen. Hier allerdings parallel und quer zur Faserorientierung, wobei letzterer Wert praktisch der Matrix entspricht.

So ist beispielsweise für die Einbeziehung des Mittelspannungseinfluß die orientierungsabhängige Definition des Haigh-Diagramms erforderlich. Dafür ist die Zugfestigkeit als Minimalkonfiguration notwendig. Zwei weitere wichtige Kenngrößen sind die Mittelspannungsempfindlichkeit M=(SR-1/SR0) -1 sowie das Verhältnis der Wechselfestigkeiten für Zug/Druck und Biegung für den Gradienteneinfluss.

Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass Bindenähte* einen weiteren Festigkeitsabfall – zusätzlich zur Faserorientierung – verursachen. Dieser ist von verschiedenen Faktoren wie Temperatur, Schmelzfluss und Frontwinkel abhängig und kann derzeit noch nicht vorhergesagt werden. 

Die verminderte Festigkeit der Bindenaht kann bei den Knoteneigenschaften über den allgemeinen Oberflächenbehandlungsfaktor aktiviert werden. Dazu müssen die Bindenahtknoten auch gemappt werden und in FEMFAT als Gruppe eingelesen werden. Als praktischer Wert hat sich ein Abminderungsfaktor von 0.5 bewährt.

Abb. 2: Spritzgusssimulation mit Moldex3D:  Ausprägung einer Bindenaht

*Eine Bindenaht entsteht, wenn sich aufgrund eines Hindernisses (z.B. Bohrung) der Schmelzfluss aufteilt und hinter dem Hindernis wieder zusammenfließt oder bei mehreren Angussstellen. Ist die Temperatur der Schmelze dann zu gering, können sich die verschiedenen Schmelzflüsse nicht mehr ausreichend gut vereinigen.