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Simulation Kundenspezifische Methode führt zu detaillierten Simulationen

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Um das Material- und Bauteilverhalten von Kunststoffen korrekt auszulegen, fehlten bisher die richtigen Methoden. Das will das Fraunhofer LBF ändern und entwickelt anwendungsnahe Methoden, um Kunststoffbauteile zu simulieren.

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Bei der Bauteilauslegung von Kunststoffen spielt nicht nur die Faserorientierung eine wichtige Rolle, sondern auch das Materialverhalten.
Bei der Bauteilauslegung von Kunststoffen spielt nicht nur die Faserorientierung eine wichtige Rolle, sondern auch das Materialverhalten.
(Bild: Altair)

Bei der Bauteilauslegung von Kunststoffen spielt nicht nur die Faserorientierung eine wichtige Rolle, sondern auch das Materialverhalten. Dieses ergibt sich aus dem Kontakt mit Medien oder aus überlagerten Lastfällen.

So zeigen Kunststoffe ein sehr vielschichtiges, von diversen Einflussparametern abhängiges Materialverhalten. Deutlich wird dies, wenn Verstärkungsfasern in technischen Bauteilen eingesetzt werden. Dort verbessern sie zwar das mechanische Verhalten signifikant, führen jedoch gleichzeitig zu einem komplexen richtungsabhängigen Material- und Bauteilverhalten.

Darüber hinaus beeinflussen auch Umgebungseinflüsse das Material- und Bauteilverhalten signifikant, wie:

  • Temperatur
  • Luftfeuchte
  • Kontakte mit unterschiedlichen Medien (Benzin, Diesel, AdBlue)

Häufig überlagern sich diese Belastungen, wenn zum Beispiel Medien unter hohe Temperatur und Druck geraten, was die Bauteilauslegung zusätzlich kompliziert.

Mechanische Lasten im Vordergrund

In der Auslegungsphase stehen im ersten Schritt die wirkenden mechanischen Lasten der technischen Bauteile im Vordergrund. Bei isotropen Materialverhalten können diese unmittelbar in Simulationsanwendungen definiert und berücksichtigt werden.

Bei faserverstärktem Material steht das anisotrope Materialverhalten im Vordergrund. Dafür muss die Faserorientierung aus einer gekoppelten Spritzgießsimulation oder über phänomenologische Ansätze in die mechanische Simulation eingebunden werden. Dabei übertragen entsprechende Tools in der Regel auch die Ergebnisse aus einer Schwindungs- und Verzugssimulation, um die deformierte Struktur und gegebenenfalls bereits hierdurch entstandene Spannungen zu berücksichtigen.

Kopplung von Prozess- und Struktursimulation.
Kopplung von Prozess- und Struktursimulation.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Medienkontakte, die das mechanische Verhalten, beispielsweise durch Quellung oder Materialdegradation, verändern, können in einer mechanischen Simulation nicht unmittelbar als Randbedingung definiert werden. Daher kann das veränderte Materialverhalten nicht direkt in der Struktursimulation abgebildet werden.

In diesem Fall werden häufig sogenannte Abminderungsfaktoren eingesetzt. In der Praxis werden dafür häufig aus Literaturquellen vergleichbare Materialen entnommen. Hierbei wird zum Beispiel eine zulässige Spannung oder Dehnung angepasst und das Bauteil entsprechend ausgelegt. Ein schneller Ansatz für eine Vorauslegung, um beispielsweise die grundliegende Eignung eines Materials abschätzen zu können.

Für eine belastungsgerechte und ressourceneffiziente Bauteilauslegung gilt es jedoch, solche signifikanten Einflussgrößen auch experimentell zu untersuchen und die Auswirkungen korrekt, unter Verwendung praktikabler Methoden, in der Simulation zu erfassen.

Maßgeschneiderte Simulationsstrategien für schnelle Produktentwicklung

Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt das Fraunhofer LBF kundenspezifische, anwendungsorientierte Methoden und begleitet die Überführung in die bestehenden Abläufe und vorhandene Infrastruktur. Die Methoden werden dabei so entwickelt, dass sie sich stets dem jeweiligen Stadium der Auslegung anpassen.

Während im Vorauslegungsstadium eine vereinfachte Strategie für erste Evaluationen herangezogen werden kann, können später, wenn mehr Informationen zum Bauteil und Material vorliegen, detailliertere Simulationen betrachtet werden, um das Bauteil belastungskonform und ressourceneffizient auszulegen. Das Resultat: weniger kostenintensive Entwicklungsschleifen, beispielsweise für Komponenten der Fahrzeugindustrie oder Luftfahrt. Das Ergebnis sind simulationsgestützte Verfahren, die sehr individuelle Belastungsszenarien berücksichtigen und somit eine ressourceneffiziente, leichtbauende und innovative Bauteilauslegung erlauben.

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