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Institut für Fahrzeugsystemtechnik Teilinstitut Leichtbautechnologie

Rintheimer-Querallee 2
Gebäude 70.04
1. OG, Raum 113 (Sekr.)
76131 Karlsruhe

Tel.: +49 (721) 608-45905
Fax: +49 (721) 608-945905


Sprechstundenzeiten Sekretariat:

Dienstag und Donnerstag:  
10:00 - 12:00 Uhr und
14:00 - 15:00 Uhr

Freitag:
10:00 - 12:00 Uhr

 

Forschungsaktivitäten im Bereich Prozessmodellierung

Eine Anforderung an die Simulation von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen ist die Erfassung und Abbildung der lokalen produktionsspezifisch bedingten Schwankungen der Materialeigenschaften und die Übergabe an die anschließenden Simulationsprogramme. Denn während des Herstellungsprozesses (z.B. im Fließpressverfahren) werden Inhomogenitäten der ursprünglichen Materialsysteme entweder überprägt oder in diesem Produktionszyklus eingetragen. Die Materialkennwerte im Bauteil können sich daher trotz identischer Edukte lokal sehr stark unterscheiden und müssen durch geeignete Methoden erfasst werden, um eine exakte Vorhersage der Bauteileigenschaften zu gewährleisten.

Langfaserverbunde

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Fliessfront während der Formfüllung

Langfaserverstärkte Kunststoffverbunde zeichnen sich durch hervorragende mechanische Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig sehr geringer Massendichte aus, sowie dem hohen Maß an Funktionsintegrationen im Bauteil. Je nach Anwendungsgebiet kommen sowohl thermoplastische (z.B. LFT (langfaserverstärkte Thermoplaste)) als auch duroplastische Matrixsysteme (z.B. SMC (Sheet Molding Compound)) zum Einsatz. Da im Formgebungsprozess direkt Funktionen integriert werden können, wodurch  Nachbearbeitungsschritte entfallen, verringern sich die Produktionskosten. Somit bietet sich diese Klasse von Verbundwerkstoffen zur Reduzierung des Gewichts vorwiegend in der Mittelgroßserie (20.000 Stück pro Jahr pro Linie) des Automobil- und Nutzfahrzeugbaus an. Im Produktionszyklus wird die faserverstärkte Kunststoffschmelze entweder im Spritzguss- (Faserlängen zwischen 1mm und 10mm) oder im Fließpressverfahren (Faserlängen ca. 25mm) in die Werkzeugform eingebracht. Aufgrund der Strömungsverhältnisse orientieren sich die Fasern im Bauteil entlang des Fließweges, was anisotrope Eigenschaften im fertigen Bauteil zur Folge hat. Diese Anisotropie auszunutzen ist hierbei der Schlüssel zur bestmöglichen Reduzierung der Masse des Bauteils. Um die Ausnutzung des Materials weiter zu optimieren, können darüber hinaus UD-Tapes (lokale endlosfaserverstärkte Streifen) entlang der Hauptlastpfade in das Bauteil eingebracht werden, um die hochbelasteten Bereiche zu verstärken.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dipl.-Ing. Martin Hohberg


Endlosfaserverbunde

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Modellierung eines Fasersystems auf Rovingebene
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Lokale Strömungsgrössen im Fasersystem

Endlosfaserverstärkte Verbundkunststoffe erlauben heute schon ein sehr viel höheres Lastniveau als langfaserverstärkte Verbundkunststoffe und besitzen eine höhere Festigkeit. Im Gegensatz zu den günstigen Produktionsmethoden von Langfaserverbunden sind allerdings sowohl die Material- als auch die Fertigungskosten höher. Bei einem häufig noch geringen Automatisierungsgrad und kostenintensiveren Entwicklungszyklen für die Bauteilauslegung ist der Einsatz der Werkstoffklasse meist den Hochleistungsprodukten vorbehalten.
Bedingt durch die Faserverstärkung ergibt sich für endlosfaserverstärkte Kunststoffe ein anderes Herstellungsverfahren, dem auch in der Simulation Rechnung getragen werden muss. Die Systeme von Fasern (siehe z.B. links) werden mit der Schmelze infiltriert und dann zur Aushärtung gebracht. Dabei soll sowohl die Induktion von Imperfektion durch Veränderung der Lage der Fasern vermieden werden als auch eine geringe Zykluszeit und eine hohe Güte des Materials erzielt werden.

Aufgrund der Sensitivität der Simulation in Bezug auf die Anordnung der Fasern sind die Randbedingungen aus der Beschreibung der Fasersysteme von großer Bedeutung. Daher werden aus der Simulation der Drapierung des Fasermaterials die Informationen über die Veränderung der Lage der Faserbündel bzw. Einzelfasern direkt mit in die Simulation der Formfüllung übernommen. Um einen tieferen Einblick in das Zusammenspiel zwischen den thermodynamischen und strömungsmechanischen Größen des Fluids während der Formfüllung zu erhalten, müssen die Strömungsverhältnisse in hoch aufgelösten Teilmodellen während der Füllung numerisch betrachtet werden, um das Zusammenspiel der Parameter in der Strömung zu untersuchen. Im Anschluss können dann die Parameter zur Modellierung der makroskopischen Vorgänge herangezogen werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dipl.-Ing. Dino Magagnato


Experimentelle Untersuchung und Charakterisierung der Materialsysteme

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Fasergerüst aus Computertomographie

Die für die Simulation der Formfüllung benötigen Kennwerte der makroskopischen Modelle, müssen oft erst experimentell ermittelt werden. Die Parameter (Viskosität, Permeabilität, Porosität usw.) für die makroskopischen Modelle werden aus den experimentell gewonnenen Versuchsergebnissen unterschiedlicher Messapparaturen berechnet.
Zum Vergleich der numerischen und experimentellen Faserorientierung wird das Fasergerüst der Verstärkung mit Hilfe von Computertomographien bestimmt und der statistischen Orientierung der Simulation gegenüber gestellt.