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Simulation Fraunhofer LBF entwickelt Methoden zur Auslegung von Kunststoffbauteilen

| Redakteur: Stefanie Michel

Das Materialverhalten von Kunststoffen ist von vielen Einflussparametern abhängig und wird von Kontakten mit Medien beeinflusst. Das Fraunhofer LBF arbeitet an einem Simulationsverfahren, das die Belastungen berücksichtigt und die Bauteilauslegung erleichtert.

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Kopplung von Prozess- und Struktursimulation
Kopplung von Prozess- und Struktursimulation
(Bild: Fraunhofer LBF)

Kunststoffe zeigen ein sehr vielschichtiges, von diversen Einflussparametern abhängiges Materialverhalten. Zu erkennen ist dies beispielsweise bei der Nutzung von Verstärkungsfasern in technischen Bauteilen. Dort verbessern sie zwar das mechanische Verhalten signifikant, führen jedoch gleichzeitig zu einem komplexen richtungsabhängigen Material- und Bauteilverhalten. Darüber hinaus beeinflussen auch Umgebungseinflüsse wie Temperatur und Luftfeuchte, aber auch Kontakte mit unterschiedlichen Medien (Benzin, Diesel, Ad Blue) das Material- und Bauteilverhalten signifikant. Häufig überlagern sich diese Belastungen, wenn zum Beispiel Medien unter hohe Temperatur und Druck geraten, was die Bauteilauslegung zusätzlich kompliziert.

Bislang gibt es hierfür keine etablierten Methoden. Zudem ist es nicht unmittelbar ersichtlich, welche Aspekte in der Auslegung berücksichtigt werden müssen, um Bauteile korrekt auszulegen. Deshalb erarbeitet das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) gemeinsam mit Industrieberatern Methoden, um bestehende Strukturen und verfügbare Tools zu nutzen. Die Methoden sollen sich bestmöglich in Firmenstrukturen eingliedern lassen. Am Ende entstehen simulationsgestützte Verfahren, die sehr individuelle Belastungsszenarien berücksichtigen und somit eine ressourceneffiziente und leichtbauende Bauteilauslegung erlauben.

Belastung: Nicht nur Kräfte und Drücke zählen

Während der Auslegungsphase von technischen Bauteilen stehen zunächst die wirkenden mechanischen Lasten im Vordergrund. Für ein isotropes Materialverhalten können diese unmittelbar in Simulationsanwendungen definiert und berücksichtigt werden. Handelt es sich um ein faserverstärktes Material, so muss die Faserorientierung aus einer gekoppelten Spritzgießsimulation oder über phänomenologische Ansätze in die mechanische Simulation eingebunden werden, um das anisotrope Materialverhalten zu berücksichtigen. Mit entsprechenden Tools lassen sich in der Regel auch Ergebnissen aus einer Schwindungs- und Verzugssimulation übertragen.

Medienkontakte, die das mechanische Verhalten verändern, können in einer mechanischen Simulation nicht unmittelbar als Randbedingung definiert werden. Das veränderte Materialverhalten lässt sich daher nicht direkt in der Struktursimulation abbilden. Aus diesem Grund nutzt man oft sogenannte Abminderungsfaktoren, welche in der Anwendung häufig aus Literaturquellen von vergleichbaren Materialen entnommen werden. Hierbei wird zum Beispiel eine zulässige Spannung oder Dehnung angepasst und das Bauteil entsprechend ausgelegt. Dies kann für eine Vorauslegung ein schneller Ansatz sein, um beispielsweise die grundlegende Eignung eines Materials abschätzen zu können. Für eine belastungsgerechte und ressourceneffiziente Bauteilauslegung gilt es jedoch, solche signifikanten Einflussgrößen auch experimentell zu untersuchen und die Auswirkungen korrekt, unter Verwendung praktikabler Methoden, in der Simulation zu erfassen.

Maßgeschneiderte Simulation für die schnelle Produktentwicklung

Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt das Fraunhofer LBF kundenspezifische, anwendungsorientierte Methoden und begleitet die Überführung in die bestehenden Abläufe und vorhandene Infrastruktur. Die Entwicklung solcher Methoden passt sich stets dem jeweiligen Stadium der Auslegung an. Während im Vorauslegungsstadium eine vereinfachte Strategie für erste Evaluationen herangezogen werden kann, können später, wenn mehr Informationen zum Bauteil und Material vorliegen, detailliertere Simulationen betrachtet werden, um das Bauteil belastungskonform und ressourceneffizient auszulegen. Das Ziel ist es, weniger kostenintensive Entwicklungsschleifen, beispielsweise für Komponenten der Fahrzeugindustrie oder Luftfahrt, zu ziehen.

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