Steifigkeitsberechnung von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten auf der Basis von Faserorientierungs- und Faserlängenverteilungen

Abstract

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.

Fibre reinforced thermoplastics have gained increasing importance especially in automotive industry. State-of-the-art in processing of discontinuous fibre reinforced thermoplastics, especially when considering long-fibre reinforced thermoplastics (LFT), is the use of glass-mat-reinforced thermoplastics (GMT) and long-fibre reinforced pellets (LFT-G). Direct processes (LFT-D), forming parts directly from the components glass fibres, polymer and additives without intermediate processing using a compression molding process, are gaining importance. The direct process used in this thesis employed cut glass fibres as reinforcements to start with a defined fibre length distribution with a fibre length band between 1 mm – 5 mm as an average. Due to the flow in the compression molding process a fibre orientation occurs, resulting in anisotropic mechanical properties. In this thesis a method for calculating anisotropic mechanical stiffnesses of fibre reinforced thermoplastic parts has been developed. This methodology is based on considering fibre orientation distributions as well as fibre length distributions. Therefore extensive characterisations of fibre orientations using mechanical stiffness evaluations using flexural and tensile circular specimen and X-ray analysis were carried out. Fibre length measurements were conducted and the obtained fibre length distributions were integrated systematically into the stiffness calculations. The use of FE-simulations included process simulation techniques for assessing part filling behaviour and fibre orientation simulations as well as consecutive structural FE-simulations of specimen and parts. With these results the calculated stiffnesses from the fibre orientation calculations could be compared with experimental results. The comparison of simulations revealed evidences for weak points in existing fibre orientation modelling for medium (1 mm – 5 mm) to long (> 5 mm) fibre lengths. Suggestions for improvements of fibre orientation simulation were derived from these observations. The developments in this thesis led to a deeper understanding of the occurrences during the mold filling process and to an increased accuracy and reliability of calculation for discontinuous fibre reinforced thermoplastics.