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.

Die Wirklichkeit im Kleinsten nachbilden

Mit seinem neuen Mikrostrukturmodell kann Fliegener, wie es heißt, die Faserstruktur an beliebigen Stellen eines LFT-Bauteils realitätsgetreu rekonstruieren, um beantworten zu können, welche Ausrichtung die Fasern an dieser speziellen Stelle im Material haben, wie eng die Fasern dort beieinander liegen und welche Länge sie haben. „Damit können wir nun das mechanische Verhalten des Materials und die komplexen Schädigungsvorgänge bei zunehmender Belastung vorhersagen“, so Fliegener. Die zugrundeliegenden mikromechanischen Vorgänge beim Versagen einer Materialprobe seien im Experiment nicht zu sehen. Mithilfe der Simulationsmethode – quasi unter der virtuellen Lupe – gelinge das jedoch sehr gut. Visualisiert werden kann etwa, wie sich die mechanischen Spannungen auf der Mikrostrukturebene von der Matrix auf die Fasern umlagern, bis diese schließlich ihre Festigkeitsgrenze erreichen und der Werkstoffverbund versagt, so Fliegener.

Die virtuelle Materialprobe kann mehr

Zum anderen ist es möglich, mit den Mikrostrukturdaten der betrachteten Bauteilstelle eine virtuelle Materialprobe im Computer zu generieren. Diese virtuelle Probe kann Fliegener mit strukturmechanischen Simulationen untersuchen und die Materialeigenschaften wie Elastizität, Festigkeit und Kriechverhalten berechnen, die an der betrachteten Stelle im Bauteil auftreten. Ein weiterer Vorteil: Fliegener kann virtuelle Experimente durchführen, die in der Realität nicht machbar wären.

Materialmodelle viel präziser kalibrieren

Weil die Bauteilwände in der Regel sehr dünn sind, ist es schwierig, sinnvolle Proben an allen gewünschten Bauteilstellen heraus zu präparieren. Mit den virtuellen Materialausschnitten jedoch kann er beispielsweise Materialeigenschaften in Dickenrichtung errechnen. Mit den Ergebnissen dieser virtuellen Experimente können die Autozulieferer ihre Materialmodelle zur Bauteilberechnung noch genauer kalibrieren: Die zugrundeliegende Datenbasis wird durch die Mikro-Simulationen gegenüber einer rein experimentellen Vorgehensweise erheblich erweitert.

Ausgzeichnete Arbeit

Für seine Dissertation „Micromechanical finite element modeling of long fiber reinforced thermoplastics“ erhielt Fliegener den mit 3000 Euro dotierten Werkstoffmechanikpreis 2016 des Automobilzulieferers KSPG AG. Diese Auszeichnung verleiht das Preiskomitee des Kuratoriums des Fraunhofer IWM jährlich als Nachwuchspreis für hervorragende wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Werkstoffmechanik.

Bedeutung von LFT-Werkstoffen

Die Forscher erklären: Langfaserverstärkte Thermoplaste schließen die Lücke zwischen kostengünstigen, aber wenig leistungsfähigen kurzfaserverstärkten Kunststoffen und den teuren Endlosfaser-Verbundwerkstoffen der Luftfahrt: Sie sind sehr fest, widerstehen gut Schlägen, sind formbeständig und können kosteneffizient in Großserie durch Spritzgießen oder Fließpressen hergestellt werden. Der Werkstoff LFT ist hoch belastbar und die Automobilindustrie verwendet ihn unter anderem für Frontend- oder Stoßfänger-Träger, Sitzschalen, Riemenscheiben, Träger oder Türmodule. Zudem sind LFT sehr gut rezyklierbar, da Thermoplaste ähnlich wie metallische Werkstoffe, immer wieder aufgeschmolzen und zu neuen Bauteilen geformt werden können. MM

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