Organoblech-Prozesse komplett simulierbar

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Gängige Finite-Elemente-Methoden (FE-Methoden) geben das anisotrope Verhalten von Organoblech und Hinterspritzmaterial nicht präzise wieder. Das führt zu Fehlern bei der rechnerischen Bauteilauslegung. Deshalb müssen zunächst die nach der Fertigung unterschiedlichen Faserorientierungen im Bauteil berechnet werden, um daraus die lokal unterschiedlichen Materialeigenschaften zu ermitteln und einzeln in der FE-Simulation zu berücksichtigen. Genau dies leistet die integrative Simulation. Sie verknüpft die Simulation des Herstellungsprozesses mit der mechanischen Strukturanalyse des Bauteils.

Präzise Umformsimulation verhindert Faltenbildung beim Organoblech

Der Umformprozess von Organoblech verläuft völlig anders als das Tiefziehen von Metallblech. Die Prozesssimulation ist daher sehr komplex. Organobleche verformen sich hauptsächlich durch Scherung des Fasergewebes. Dieser Vorgang im Organoblech wird als Trellis-Effekt bezeichnet. Er setzt ein, weil die Richtungen der Umformkräfte nicht mit den Hauptrichtungen der Faserverstärkung übereinstimmen. Es findet eine Änderung des Faserwinkels statt. Besonders in Bauteilbereichen mit ausgeprägter 3D-Geometrie geht die orthogonale Anordnung der Fasern verloren. Ist der Grad der Scherung zu groß, bilden sich Falten, weil die Faserstränge sperren.

Um das Drapieren des Organobleches um eine gegebene Werkzeuggeometrie simulieren zu können, muss unter anderem bekannt sein, wie dessen Schersteifigkeit und -festigkeit von der Temperatur abhängen. Dies hat Lanxess mithilfe von Picture Frame-Tests an Halbzeugproben der Bond-Laminates GmbH, Brilon, ermittelt. Darauf aufbauend wurde eine Methode zur Simulation des Umformprozesses entwickelt. Damit lässt sich für ein Organoblech mit mehrlagigem Gewebe die Orientierung der Endlosfasern im verformten Halbzeug ermitteln und nachbilden. Die FE-Methode berechnet, bei welchem Umformgrad die Fasern kritische Scherwinkel erreichen und wie das Plattenhalbzeug am besten ins Werkzeug eingelegt wird.

Integriertes mathematisches Modell berücksichtigt anisotropes Verhalten

Außerdem hat Lanxess im Rahmen des vom BMBF geförderten Gemeinschaftsprojektes Spriform in Zusammenarbeit mit Bond-Laminates ein mathematisches Materialmodell für Organoblech entwickelt. Dieses Modell wurde in das FE-Programm Abaqus implementiert. Es berücksichtigt die anisotropen, nichtlinearen und dehnratenabhängigen Eigenschaften von Organoblech. Dazu wurden unter anderem die dehnratenabhängigen Materialkennwerte mithilfe von High-Speed-Zugversuchen bei Dehnraten bis zu 100 s^–1 bestimmt.

Dabei kamen Probekörper mit einer speziellen Geometrie zum Einsatz, die Lanxess und Bond-Laminates konzipiert haben. Sie ermöglichen eine genaue und reproduzierbare Messung der verschiedenen quasistatischen und dynamischen Materialkennwerte mit relativ geringem Aufwand. Um die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Faserorientierung genau zu ermitteln, wurden nicht nur Zugkraftmessungen bei Kraftrichtungen unter 0-, 45- und 90°-Winkeln bezogen auf die Faserlage im Gewebe durchgeführt, sondern auch für ausgewählte Versuche Probekörper in 7,5°-Schritten aus Organoblechen herausgeschnitten und geprüft.

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