Vom Polymer über den Prozess zum Bauteilverhalten: Integrative Simulation

Aus den Tiefen der Anwendungsforschung

Vom Polymer über den Prozess zum Bauteilverhalten:
Integrative Simulation

Ausführungen von Dr. Stefan Glaser, Anwendungsentwicklung Technische Kunststoffe
22. Juni 2004, Fachpressekonferenz zur K 2004 in Ludwigshafen

Was konventionellen Finite-Elemente-Methoden zur exakten Vorhersage von Eigenschaften hoch beanspruchter Bauteile fehlt, ist die Kenntnis lokaler Werkstoffparameter, die sich erst während des Spritzgießprozesses ergeben.

Im Gegensatz dazu erfasst eine integrative Simulation den Einfluss, den Bauteilgeometrie und Fertigungsprozess auf die Materialeigenschaften kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste haben. Im Unterschied zu den bisher angewandten Simulationsverfahren kann so die lokale Anisotropie, also die lokale Faserorientierung, berücksichtigt, und das Bauteil durchgängig ausgelegt werden. Dies führt zu einer exakten Vorhersage des mechanischen und thermischen Verhaltens (Bild 1).

Anisotropie erschwert Bauteilauslegung

Die Eigenschaften faserverstärkter Thermoplast-Bauteile hängen nicht nur von den werkstoffspezifischen Parametern, sondern auch vom Herstellungsprozess ab. So beeinflusst der Füllvorgang den Orientierungsgrad der Verstärkungsfasern und damit die mechanischen Eigenschaften des Materials, wie Steifigkeit, Festigkeit und thermisches Verhalten. Dies ist besonders für solche Bauteile von Bedeutung, die im Einbauzustand hohen Belastungen, hohen Temperaturen und hohem Verzug ausgesetzt sind (Bild 2).

Durch den Spritzgießprozess ist die Faserorientierung nicht homogen und, man findet an unterschiedlichen Stellen im Bauteil verschiedene Materialeigenschaften.

Für das Auslegen komplexer, faserverstärkter Formteile mit numerischen Berechnungsmethoden stellt diese Anisotropie eine beträchtliche Schwierigkeit dar. Da die lokale Orientierung der Fasern im Allgemeinen nicht bekannt ist, wird vereinfachend meist ein isotropes Materialverhalten angenommen. Die in Werkstoffdatenbanken bereitgestellten Materialkennwerte werden zur Fehlerkorrektur mit einem so genannten Abminderungsfaktor multipliziert. Er lässt sich durch Vergleich von berechneten und gemessenen Werten (E-Moduln) ermitteln, hat aber nur eine begrenzte Gültigkeit (Bild 3).

Drei Schritte der integrativen Simulation

Genau hier setzt die integrative Simulation an. In einem ersten Schritt wird dabei mittels Füllsimulation die Faserorientierung berechnet, die sich während des Füllvorgangs an den verschiedenen Stellen des Bauteils einstellt. Dabei werden sowohl die Materialeigenschaften, wie Viskosität und Füllgrad des eingesetzten Thermoplasten, als auch die Prozessparameter, wie zum Beispiel Einspritzgeschwindigkeit und Nachdruck berücksichtigt. MOLDLFLOW ist das hierfür meist verwendete, kommerziell verfügbare Programmpaket.

Die so ermittelten lokalen Orientierungsverteilungen im erstarrten Zustand gehen in ein von der BASF erarbeitetes, nichtlineares, anisotropes Werkstoffmodell ein. Das hierfür speziell entwickelte Softwaremodul heißt FIBER. Mit seiner Hilfe werden in einem zweiten Schritt die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffverbunds aus der Orientierungsverteilung und den mechanischen Eigenschaften von Matrix und Fasern berechnet. Auf diese Weise gelingt es, die Werkstoffeigenschaften, die der Kunststoff erst beim Spritzgießen erhält, in die Bauteilberechnung einfließen zu lassen.
Im dritten Schritt wird das Bauteilverhalten mit den kommerziell erhältlichen Finite-Elemente-Programmen LS-DYNA oder ABAQUS simuliert, die dazu um das von der BASF entwickelte Materialmodell ergänzt sind.

Neue Software „FIBER“ verbindet Bauteil- und Füllsimulation

Die Umsetzung dieses Konzeptes in die Praxis ist der BASF mit ihrem neuen Softwaremodul FIBER gelungen. FIBER überträgt die in der Füllsimulation ermittelte Verteilung der Faserorientierung auf das für die Bauteilsimulation vewendete Netz und berechnet die lokalen Materialparameter. Die Übertragung erfolgt rein geometrisch, so dass verschiedene den Anforderungen angepasste Netze anwendbar sind. Die Beschreibung des Materialverhaltens in eigenen Stoffgesetzfunktionen ermöglichte die Implementierung von komplexen Werkstoffbeschreibungen, die Nichtlinearitäten und Versagensverhalten beinhalten. Das war so bisher nicht möglich. Eine effiziente Verwaltung des umfangreichen Datenmaterials versorgt die benutzerspezifischen Stoffgesetze mit den nötigen Informationen.

Eingebettet in ein Komplettpaket zur integrativen Simulation stellt FIBER also die Verbindung zwischen Füllsimulation und Strukturanalyse her (Bild 4).

Exakte Vorhersage bis zum Bruch

Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit der integrativen Simulation wurde an einer Hybridstruktur aus Kunststoff (Ultramid® B3WG6) und Metall, dem so genannten Lu-Träger, ein Torsionsversuch durchgeführt und mit der Simulation verglichen (Bild 5).

Mit der herkömmlichen Berechnungsmethode, basierend auf nichtlinearem aber isotropem Werkstoffverhalten, und dem Standard-Abminderungsfaktor 0,75 wird das gemessene Steifigkeitsverhalten nicht richtig wiedergegeben. Der Fehler liegt in der unzureichenden Werkstoffbeschreibung. Im Gegensatz dazu berücksichtigt die integrative Simulation mit FIBER das nichtlineare Steifigkeitsverhalten des Trägers exakt. Simulation und Experiment stimmen bis zum Bruch sehr gut überein (Bild 6).

Dass der Träger sich steifer verhält, als nach der konventionellen Methode zu erwarten, hat seine Ursache in der anisotropen Faserorientierung.

Wie die Füllsimulation zeigt, stellt sich in den Kunststoffrippen durch die Strömung während des Füllvorgangs ein hoher Orientierungsgrad ein (Bild 7).

Beim Torsionsversuch ist die Zug-Belastung in Richtung dieser Rippen besonders ausgeprägt. Der Träger ist also genau dort am widerstandsfähigsten, wo die Beanspruchung am stärksten ist (Bild 8).