Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFOptimierte Auslegung von kurzfaserverstärkten Kunststoffbauteilen
Die optimierte Auslegung von Kunststoffbauteilen ist in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus von Unternehmen und Forschungseinrichtungen getreten. Dabei entwickeln sich unterschiedlich komplexe Ansätze zur Berücksichtigung prozessbedingter Bauteileigenschaften. Bei der sogenannten Integrativen Simulation ist es Ziel, eine bauraum- und materialoptimierte Auslegung bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit zu erreichen und so den Entwicklungsprozess wirtschaftlicher zu gestalten.
Integrative Simulation
Die Abteilungen »Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau« und »Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung« arbeiten seit vielen Jahren auf den genannten Gebieten. Bei der Auslegung von Bauteilen aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen gilt es neben dem dominierenden Merkmal, den lokal anisotropen Materialeigenschaften, weitere Einflussfaktoren wie mehraxiale Spannungszustände, hohe Spannungsgradienten oder Mittelspannungsempfindlichkeiten zu berücksichtigen. Um eine möglichst zuverlässige Aussage über die Beanspruchungen im Bauteil und die zu erwartende Lebensdauer zu erhalten, ist eine geschlossene numerische Prozesskette, die den Herstellungsprozess berücksichtigt, sinnvoll.
Im Rahmen eines Eigenforschungsprojekts wurden in Zusammenarbeit mit einer Vielzahl unserer Industriepartner die drängendsten Fragestellungen zur Auslegung von kurzfaserverstärkten Kunststoffbauteilen identifiziert. Aus der gesamten Prozesskette der Integrativen Simulation wurden die Themen Struktursimulation, mit Berücksichtigung verschiedener Detailierungsgrade, und die darauf basierende Lebensdauerberechnung herausgegriffen und weiterentwickelt. So sind für die betriebsfeste Bauteilauslegung beliebige mehrachsige Spannungszustände bei anisotropen Materialien besonders zu beachten, da nicht nur multiaxiale, sondern auch uniaxiale Schwingbelastungen örtlich zu multiaxialen Schwingbeanspruchungen führen. Zusätzlich ist die Festigkeit des Materials richtungsabhängig.
Bei der Wahl einer geeigneten Hypothese zur Lebensdauerabschätzung sind diese Erkenntnisse zu berücksichtigen. D. h., die im isotropen Fall gängigen Verfahren der Festigkeitsbeurteilung mehrachsiger Beanspruchungszustände (z. B. klassische Vergleichsspannungshypothesen) sind für den anisotropen Fall ungeeignet. Vielmehr müssen Ansätze zur Anwendung kommen, die es ermöglichen, die zeitabhängige mehraxiale Beanspruchung in Abhängigkeit der Beanspruchungshöhe und -richtung zu beurteilen.