Verbundwerkstoffe Spezieller Composite-Entwicklungsprozess findet ideale Leichtbau-Geometrie

Ein faserverstärkter Werkstoff entwickelt seine Eigenschaften erst während der Fertigung des Bauteils. Daher sollte in der Produktentwicklung nicht nur die Form, sondern auch der Werkstoff der Funktion folgen.

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Simulationen werden heute meist zur Validierung von Konstruktionsentwürfen verwendet, das heißt die Geometrie ist bereits in einem bestimmten Material festgelegt, wird geprüft und gegebenenfalls verbessert. Dies geht soweit, dass Hersteller Technologien nicht verwenden, die sie nicht simulieren können – für die Etablierung von Verbundwerkstoffen ein echtes Hindernis.

Fertigung bestimmt Eigenschaften

Die Eigenschaften von Faserverbunden hängen von zahlreichen Variablen wie Faservolumen-Gehalt, Lagenaufbau, Halbzeugtyp, Faserdrapierung und den Verarbeitungsparametern ab und ergeben sich erst bei der Fertigung. Zwar gibt es Kennwerte der Ausgangsmaterialien, die auch oftmals wie die Materialdaten von klassischen Werkstoffen verwendet werden, allerdings bringt sich der Hersteller dadurch um den größten Vorteil der faserverstärkten Kunststoffe: Statt die Geometrie des Prototypen unter hohem Zeit- und Kostenaufwand zu optimieren, könnten mit einem angepassten Entwicklungsverfahren einfach die Werkstoffeigenschaften angepasst werden. „Folgt man dem herkömmlichen, konstruktionsbasierten Entwicklungsansatz, bekommt man mit Composites ein Bauteil, das zwar leichter ist als Stahl, aber nicht so leicht wie es sein könnte“, fasst Dr. Thomas Burkart, Gruppenleiter Technische Berechnung & Simulation bei ARRK|P+Z Engineering, das Problem zusammen.

Anwendertreff Leichtbau

Die Masse reduzieren – wir zeigen, wie es geht

Faserverbundwerkstoff

Materialmodell zur Festigkeitsanalyse gewebeverstärkter Faserverbundwerkstoffe entwickelt

Als Alternative dazu haben die Experten des Unternehmens eine Herangehensweise konzipiert, die auf die Eigenheiten von Verbundwerkstoffen zugeschnitten ist und auf technischen Berechnungen basiert. Ausgangspunkte sind dabei der vorgegebene Bauraum sowie die Entwicklungsziele und Anwendungsanforderungen.

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Lastpfade ermitteln

Auf dieser Grundlage wird zunächst eine Topologieanalyse zur Festlegung der Hauptlastpfade durchgeführt. „Dadurch können wir bereits sehr früh in der Konzeptphase beurteilen, an welchen Stellen ein- oder multi-axiale Lasten anfallen und entsprechend die weitere Planung darauf abstimmen“, erklärt Monika Kreutzmann, Leiterin des Center of Competence (CoC) für Composites bei ARRK|P+Z Engineering. „Mit Standard-Methoden stellt man erst sehr spät fest, wo welche Belastungen auftreten, was zusätzliche, teure Entwicklungsschleifen nach sich zieht.“

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