Virtuelle Lupe: Neues Mikrostrukturmodell für langfaserverstärkte Thermoplaste LFT

10.11.2016

Langfaserverstärkte Thermoplaste LFT nutzt die Automobilindustrie für den Leichtbau von beispielsweise Stoßfängerträgern oder Türmodulen. Um das maximale Leichtbaupotenzial von Bauteilen zu erschließen, muss die örtlich stark variierende Mikrostruktur des Werkstoffs in Simulationen berücksichtigt werden. Mit derzeitigen Methoden ist dies jedoch nur vereinfacht möglich. Einen wichtigen Schritt zur realitätsgetreuen Abbildung der Mikrostruktur hat Dr. Sascha Fliegener vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM mit seinem neuen Simulationsmodell gemacht: Komponenten- und Materialhersteller können zukünftig virtuelle Experimente nutzen, um das Materialverhalten noch genauer zu erfassen.

© Foto Fraunhofer IWM

Mikrostrukturbasiertes FEM-Simulationsmodell für langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT).

Langfaserverstärkte Thermoplaste LFT eignen sich ideal für den Leichtbau: Sie haben wenig Gewicht und werden kosteneffizient in Großserie gefertigt. Das Ausgangsmaterial für ein LFT-Bauteil ist eine Mischung aus thermoplastischem Polymer und Glas- oder Kohlenstofffasern, die bis zu 10 Zentimetern lang sein können. Die erwärmte Masse aus Polymer und Fasern wird zwischen zwei Formen gepresst oder in eine geschlossene Form gespritzt, um nach dem Erkalten die Geometrie des Bauteils zu erhalten. 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. Um heute ein LFT Bauteil im Computer auszulegen, verwenden die Automobilzulieferer meist die seit Jahren etablierten, analytischen Methoden für Kurzfaserverbundwerkstoffe. Diese können die Interaktion zwischen den Fasern aber nur stark vereinfacht abbilden. Bei LFT sind solche Interaktionen jedoch wegen der hohen Faserlänge und der teilweise hohen Fasergehalte 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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Strukturmechanische Simulation eines LFT-Bauteils (links) und CT-Scans der Mikrostruktur an zwei verschiedenen Bauteil-Positionen (rechts). Das neue Mikrostrukturmodell bildet die Werkstoffzustände realitätsgetreu ab.

Realitätsgetreue Abbildung der Mikrostruktur

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

Virtuelle Experimente zur Vorhersage des Materialverhaltens

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. Da 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.

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.


Infokasten

Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) 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. Auch für hoch belastete Textilmaschinenteile, Fahrradkomponenten, Bootsteile oder Ski- und Snowboardbindungen wird der Werkstoff genutzt. Zudem sind LFT sehr gut rezyklierbar, da Thermoplaste ähnlich wie metallische Werkstoffe immer wieder aufgeschmolzen und zu neuen Bauteilen geformt werden können.


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Dr. Sascha Fliegener
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