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Steifigkeitsberechnung von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten auf der Basis von Faserorientierungs- und Faserlängenverteilungen
(2009) Radtke, Andreas; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Faserverstärkte Thermoplaste haben vor allem im Automobilsektor eine wachsende Bedeutung als Werkstoffe. Stand-der-Technik Verfahren bei der Verarbeitung von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten, speziell der langfaserverstärkten Thermoplaste (LFT), ist der Einsatz von glasmattenverstärkten Thermoplasten (GMT) und Stäbchengranulaten (LFT-G). Daneben gewinnen Direktverfahren (LFT-D) an Bedeutung, bei denen die Bauteile direkt aus den Komponenten Glasfasern, Polymere und Additive compoundiert und ohne Zwischenschritt direkt im Fliesspress¬verfahren geformt werden. Das in dieser Arbeit verwendete Direktverfahren setzte Schnittglas als Verstärkungsfasern ein, um mit einer definierten Faserlängen¬verteilung mit Durchschnittswerten im Bereich zwischen 1 mm – 5 mm zu beginnen. Infolge des Fliesspressprozesses bildet sich durch die sich einstellende Faser-orientierung eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften aus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Berechnungsmethodik entwickelt, um die anisotropen Steifigkeitseigenschaften von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplast-Bauteilen zu bestimmen. Die Berechnungsmethodik stützt sich auf die Berücksichtigung von Faserorientierungs- und Faserlängenverteilungen. Dazu erfolgte eine umfassende Charakterisierung der Faserorientierung mittels Steifigkeitsuntersuchungen von Biege- und Zugronden und mittels Röntgenanalysen. An den Fasern wurde eine Längenmessung vorgenommen und die so erhaltenen Faserlängenverteilungen (FLV) systematisch in die Auslegung integriert. Der Einsatz von FE-Simulationstechniken beinhaltete die Prozesssimulation zur Beurteilung von Formfüllung und Faserorientierungsberechnung und die anschließende strukturelle FE-Simulation der Probekörper und Bauteile. Damit konnten die aus der Faserorientierungsberechnung errechneten Steifigkeiten mit Versuchsergebnissen verglichen werden. Der Abgleich mit Simulationsberechnungen ergab den Beleg für Schwächen der existierenden Faserorientierungsmodellierung für mittlere (1 mm – 5 mm) und längere (> 5 mm) Faserlängenbereiche. Daraus wurden Hinweise zur möglichen Verbesserung der Faserorientierungsberechnung abgeleitet. Die Entwicklungen im Rahmen dieser Arbeit führen zu einem tieferen Verständnis der Vorgänge während des Formfüllungsprozesses und zu einer Erhöhung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Berechnung von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten.