Fraunhofer-IWM Virtuelle Lupe pusht faserverstärkten Leichtbau durch Mikrostruktur-Simulation

Redakteur: Peter Königsreuther

Langfaserverstärkte Thermoplaste LFT nutzt die Automobilindustrie etwa für den Leichtbau von Stoßfängerträgern oder Türmodulen. Um das maximale Leichtbaupotenzial von Bauteilen zu erschließen, müsse die örtlich stark variierende Mikrostruktur des Werkstoffs in Simulationen berücksichtigt werden.

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Forschern vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM ist es jetzt gelungen, das Mikrostrukturverhalten von langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT) durch Simulation vorherzusagen. Materialmodelle könnten so leichter kalibriert und wirklichkeitsgetreuere Prognosen zum Versagensverhalten von LFT-Bauteilen abgegeben werden.
Forschern vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM ist es jetzt gelungen, das Mikrostrukturverhalten von langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT) durch Simulation vorherzusagen. Materialmodelle könnten so leichter kalibriert und wirklichkeitsgetreuere Prognosen zum Versagensverhalten von LFT-Bauteilen abgegeben werden.
(Bild: Fraunhofer-IWM)

Mit derzeitigen Methoden ist eine Simulation von Mikrostrukturen, wie es weiter heißt, jedoch nur vereinfacht möglich. Einen wichtigen Schritt zur realitätsgetreuen Abbildung der Mikrostruktur habe deshalb Dr. Sascha Fliegener vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM mit seinem neuen Simulationsmodell getan: Denn Komponenten- und Materialhersteller könnten zukünftig virtuelle Experimente nutzen, um das Materialverhalten im Vorfeld der Bauteilfertigung noch genauer zu kennen.

Günstige Herstellung von Bauteilen

Langfaserverstärkte Thermoplaste LFT eignen sich ideal für den Leichtbau, wie die Forscher betonen: Sie wiegen relativ wenig und können kosteneffizient in Großserie gefertigt werden. Das Ausgangsmaterial für ein LFT-Bauteil ist eine Mischung aus thermoplastischem Polymer und Glas- oder Carbonfasern, die, wie es weiter heißt, bis zu 10 cm lang sein können. Die erwärmte Masse aus Polymer und Fasern wird dabei zwischen zwei Formhälften gepresst oder in eine geschlossene Form gespritzt. Nach dem Erkalten der Masse ist diese fest und hat exakt die Geometrie des als Negativ in die Form eingearbeiteten Kavitätverlaufs angenommen.

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Variierende Mikrostruktur durch Fließeffekte

Bei diesem Vorgang richten sich die Fasern nach dem in der Form herrschenden Strömungszustand aus, die Mikrostruktur variiert an unterschiedlichen Stellen des Bauteils sehr stark und so entstehen verschiedene, ortsabhängige Materialeigenschaften, wie die Forscher erklären. Um heute ein LFT Bauteil im Computer auszulegen, verwenden die Automobilzulieferer meist die seit Jahren etablierten, analytischen Methoden für Kurzfaserverbundwerkstoffe. Diese könnten die Interaktion zwischen den Fasern aber nur stark vereinfacht abbilden.

Mikrostrukturbasierte Simulation kann helfen

Bei LFT-Teilen sind solche Interaktionen jedoch wegen der hohen Faserlänge und der teilweise hohen Faservolumengehalte besonders wichtig, um das Materialverhalten und die Schädigungsvorgänge innerhalb der Mikrostruktur präzise vorhersagen zu können. „Meine mikrostrukturbasierte Simulation ist ein wesentlicher erster Schritt auf dem Weg dahin, diese Interaktionen beim Auslegen der Bauteile berücksichtigen zu können“, erklärt Fliegener, Wissenschaftler in der Gruppe Verbundwerkstoffe am Fraunhofer IWM.

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