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Verbundwerkstoffe

Spezieller Composite-Entwicklungsprozess findet ideale Leichtbau-Geometrie

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Geometrie und Material wählen

Anhand der ermittelten Lastpfade werden im nächsten Schritt ein erster Designentwurf für die Geometrie gestaltet und dabei direkt die geeigneten Werkstoffkonfigurationen und Faserverläufe gewählt. Auf diese Weise können die wirkenden Kräfte bei Composite-Bauteilen im Idealfall statt durch stärkere Wandungen oder Stützrippen einfach durch den passenden Faserverlauf ausgeglichen werden.

Bereits in diesem frühen Stadium wird daher auch das Fachwissen anderer Disziplinen hinzugezogen, um ein zielgerichtetes Konzept zu erstellen. Die Fertigungsexpertise ist in dieser Zusammenarbeit essentiell, da unter anderem über die Bauweise und die Produktionstechnik an sich entschieden werden muss. Diese werden maßgeblich von den Anforderungen des Kunden – in der Regel entweder hohe Stückzahlen oder eine hohe mechanische Performance – bestimmt, die jeweils andere Verfahren erfordern.

Des Weiteren sind bei der Entwicklung des Entwurfs die Verbindungen innerhalb des Bauteils und zu den angrenzenden Komponenten gesondert zu betrachten. Statt Baukastenlösungen wie im Metallbau zu verwenden, müssen hier die Kraftflüsse berücksichtigt werden. Die Konzeption ausgehend von der Topologie und der flexible Werkstoff bieten dazu spezielle Lösungsmöglichkeiten, etwa indem einzelne Teile zusammengefasst oder die Geometrien so gewählt werden, dass die Trennbereiche in weniger belastete Zonen fallen. Damit wird zugleich die Robustheit insgesamt erhöht und der Verbindungsaufwand reduziert. „Werden Metall-Einleger zur Verstärkung und Kräfteableitung in den Composite-Körper integriert, sollte man außerdem auf Faktoren wie unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten oder Korrosionsgefahr achten und das Materialgefüge entsprechend auslegen“, so Kreutzmann.

Simulation mit vereinfachtem Modell

Anhand dieser beiden Parameter des Entwurfs, Werkstoff und Geometrie, wird ein CAD-Modell erstellt, das im Pre-Processing als Basis der weiteren Entwicklung und Simulation dient. Bei der Modellierung kann mit Vereinfachungen sowohl hinsichtlich der tatsächlichen Form als auch der Größe und Zahl der Berechnungselemente gearbeitet werden. Schraub-, Bolzen- und Klebeverbindungen werden im Grobmodell mittels Rigid-Body-, Balken- oder Solidelementen ausreichend getreu abgebildet. Für Detailbetrachtungen sollten versagenskritische Stellen separat verfeinert werden.

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Für die eigentlichen Berechnungen stehen inzwischen zahlreiche, spezialisierte Solver zur Verfügung. Für das Postprocessing ist bei Faserverbundwerkstoffen noch stärker darauf zu achten, die richtigen Einstellungen zu finden, da dies die Ergebnisse und die Qualität maßgeblich beeinflusst. Die Auswertung sollte bei Verbundwerkstoffen immer in einem Material- oder einem darauf ausgelegten Elementkoordinatensystem erfolgen. Zudem muss bei Schalenelementen berücksichtigt werden, an welcher Stelle ausgewertet wird. „Generell sind bei der Ergebnisanalyse Anstrengungen Fehlerindizes vorzuziehen, da sie eine linear skalierbare Aussage über die Belastung treffen“, so der Simulationsexperte. Darüber hinaus bieten einige Postprozessoren mittlerweile auch eigene Tools für Composites zur Darstellung von kritischen Versagenspunkten, Dehnungs- und Spannungsverläufen an.

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