Fraunhofer LBF Lebensdauer verstärkter Kunststoffteile in Automobilen prognostizieren

In Fahrzeugen werden immer mehr Komponenten aus verstärkten Kunststoffen eingesetzt. Im Motorraum sind die Anforderungen an Bauteile besonders hoch, denn dort müssen sie hohen Temperaturen, mechanische Schwingungen und aggressiven Stoffen standhalten. Deren Einfluss auf das Verhalten von Kunststoffen und damit die Lebensdauer ist bislang nur schwer abzuschätzen.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Robert Bosch GmbH

Bei der Dimensionierung von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen kommen bis heute meist konventionelle Bemessungskonzepte zum Einsatz, die lediglich auf statischen Kennwerten, Sicherheitsfaktoren und einer Vielzahl von Abminderungsfaktoren beruhen. Der tatsächliche Einfluss dieser sich überlagernden Faktoren wie multiaxiale Belastungen, Temperaturunterschiede und aggressiven Flüssigkeiten bleibt dabei unberücksichtigt. Mit diesen konventionellen Methoden kann das Leichtbaupotenzial von Kunststoffen deshalb nur unzureichend ausgeschöpft werden.

In einem gemeinsamen BMBF-Projekt mit der Robert Bosch GmbH entwickeln deshalb Fraunhofer-Forscher neue Methoden zur Lebensdauerabschätzung von Leichtbaukomponenten. Die Forscher haben hierzu das Werkstoffverhalten und die Wirkungszusammenhänge zwischen Beanspruchung und Umwelteinflüssen zuverlässig nachgebildet und charakterisiert. An bauteilähnlichen Proben aus thermoplastischen Werkstoffen wurde das Werkstoffverhalten in Abhängigkeit von Material, Geometrie, Fertigungs- und Umwelteinflüssen (Temperatur, Benzin, Öl) in Labortests untersucht. Diese Parameter bestimmen die Schwingfestigkeit und damit auch die Lebensdauer von Bauteilen maßgeblich.

Simulation von Umwelteinflüssen auf die Kunststoffalterung

Bei der Festigkeitsbewertung werden nummerisch ermittelte Beanspruchungen lebensdauerspezifische Beanspruchbarkeiten gegenübergestellt. Diese können durch Proben und/oder Bauteilversuche bestimmt werden. Hierbei ergeben sich grundsätzlich verschiedene Versuchsparameter, die im Rahmen einer Versuchsplanung mehr oder weniger beliebig miteinander kombiniert werden können.

Damit soll der Umfang von Versuchsprogrammen optimiert werden. Dies setzt aber die Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Versuchsparametern und deren schädigenden Wirkung voraus. Wie ändert sich beispielsweise die Schwingfestigkeit einer Kunststoffprobe, wenn sie neben der mechanischen Belastung auch von erwärmtem Benzin umspült wird? Durch diesen Vergleich kann die Wechselwirkung zwischen mechanischer Beanspruchung und aggressiven Medium erschlossen und deren Tragweite auf das Bauteilverhalten bewertet werden.

„Ziel dieser werkstoffspezifisch angepassten Simulation ist es, die Alterung und die Auswirkungen verschiedener Umwelteinflüsse auf Kunststoffbauteile bereits im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen“ sagt Andreas Büter, Leiter des Kompetenzcenters Betriebsfester Leichtbau am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt. „Im Fahrzeugbau können so, auch beim Einsatz von neuen Werkstofftechnologien Entwicklungszyklen beschleunigt, Unsicherheiten bei der Dimensionierung reduziert und dabei die Kosten für Konstruktions- und Bauteiländerungen gesenkt werden.“

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