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Fraunhofer LFB

Faserverstärkte Spritzgussteile schneller auslegen

| Autor/ Redakteur: M.Eng. Markus Fornoff / Peter Königsreuther

Ein, wie es heißt, phänomenologisches Berechnungskonzept in der Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LFB verkürzt nun die praxisgerechte Auslegung von Spritzgussteilen noch vor dem ersten Prototyp.

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Ein phänomenologisches Berechnungskonzept, das Experten am Fraunhofer-LFB entwickeln, soll die Auslegung von Spritzgießteilen verkürzen. Hier sind die Hauptkomponenten des Faserorientierungstensors (zweiter Ordnung) über die normierte Probendicke aufgezeigt (oben): Dom klein, (links unten): Rippe längs zur Fließrichtung, (rechts unten): Rippe senkrecht zur Fließrichtung.
Ein phänomenologisches Berechnungskonzept, das Experten am Fraunhofer-LFB entwickeln, soll die Auslegung von Spritzgießteilen verkürzen. Hier sind die Hauptkomponenten des Faserorientierungstensors (zweiter Ordnung) über die normierte Probendicke aufgezeigt (oben): Dom klein, (links unten): Rippe längs zur Fließrichtung, (rechts unten): Rippe senkrecht zur Fließrichtung.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Zunehmend verdrängen kurzglasfaserverstärkte, thermoplastische Spritzgussteile die Klassiker der Konstruktion aus Stahl oder Aluminium. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LFB hat jetzt im Zuge eines IGF-Vorhabens ein Verfahren entwickelt, um die Faserorientierung von kurzglasfaserverstärkten Spritzgussformteilen schon in einer Phase zu berücksichtigen, in der noch keine Bauteile wie etwa Prototypen vorliegen. Das phänomenologische Berechnungskonzept schließt eine große Lücke in der Auslegungskette solcher Formteile. Mithilfe des Konzeptes ist es möglich, schon frühzeitig in der Bauteilentwicklung das richtungsabhängige Bauteilverhalten auf Formelemente abzuschätzen und das Bauteil belastungsgerecht auszulegen. Das reduziert kostspielige Iterationsschleifen und verkürzt folglich die komplette Entwicklung und Fertigung. Darüber hinaus kann das Konzept auch in Bereichen angewendet werden, in denen bislang die Integrative Simulation zu kosten- oder zeitintensiv war. Abhängig vom geforderten Detaillierungsgrad kann das neue Verfahren als eigenständige Lösung der Bauteilauslegung oder als vorgelagerte Ergänzung für die Integrative Simulation angesehen werden.

Integrative Simulation erlaubt Prognose zur Faserorientierung

Typische Einsatzgebiete für kurzglasfaserverstärkte, thermoplastische Spritzgussformteile sind die Automobilindustrie oder auch die Luft- und Raumfahrt. Insbesondere im Automobilbau, der große Stückzahlen in kürzester Zeit fordert, stellt der Spritzgussprozess ein effizientes Herstellungsverfahren von Kunststoffen dar, welches zudem hohe Gestaltungsfreiräume ermöglicht. Jedoch bleibt die Vorhersage der Faserorientierung, die sich durch Prozess, Material und Geometrie lokal einstellt, eine große Herausforderung. Sie ist noch immer Stand aktueller Forschungsarbeiten.

Eine Methode, um die Faserorientierung in die Auslegung von entsprechenden Formteilen einzubinden, ist die Integrative Simulation. Sie ermöglicht es, relevante Prozessinformationen mithilfe einer geeigneten Schnittstelle in eine gekoppelte Struktursimulation zu überführen und so das Bauteilverhalten vorherzusagen. Die einzelnen Schritte der integrativen Simulation müssen jedoch allesamt stets mit experimentellen Daten validiert und kalibriert werden. Dies bedeutet, dass Prozessparameter und Werkzeuggeometrien bekannt sein und reale Formteile vorliegen müssen. Folglich bietet sich dieses Konzept erst ab einem Punkt in der Bauteilentwicklung an, ab dem bereits Prototypen hergestellt werden können.

Vor diesem Hintergrund berücksichtigt das im Fraunhofer LBF entwickelte Verfahren die Faserorientierung von kurzglasfaserverstärkten Spritzgussformteilen schon in einer Phase, in der noch keine Realbauteile vorliegen.

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