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Faserverbunde werden am Bildschirm entworfen

Herstellmethoden reichen von Spritzgießen bis Umformen
Faserverbunde werden am Bildschirm entworfen

Faserlänge und -orientierung sind nur zwei von vielen Einflussparametern, mit denen der Konstrukteur Verbundkunststoffe für seine Serien-Bauteile maßschneidern kann. Dabei hilft ihm spezielle Simulations-Software.

Markus Piry und Matthias Ritter sind wissenschaftliche Mitarbeiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen in der Abteilung Faserverbundkunststoffe

Mit dem Verstärken von Kunststoffen macht sich der Mensch ein Prinzip zu Nutze, das die Natur bereits bis zur Perfektion entwickelt hat. Ein Beispiel ist die Struktur von Bambus oder Holz. In Faserrichtung sind Steifigkeit und Festigkeit sehr hoch, quer dazu ist die Belastbarkeit deutlich geringer. Um das Potenzial dieser anisotropen Werkstoffe zu nutzen, mußte die Natur geeignete Gestaltungsrichtlinien entwerfen.
Ähnliches gilt für faserverstärkte Kunststoffe. Sie lassen sich anhand der Faserlänge unterscheiden. Zusammen mit der Faserorientierung beeinflusst sie die mechanischen Eigenschaften der Bauteile. Längere Fasern bieten bessere mechanische Eigenschaften als kürzere. Jeder Faserlänge sind ein oder mehrere Herstellungsverfahren zugeordnet, von denen eine Reihe in der Großserie eingesetzt wird:
– Spritzgießen faserverstärkter Thermoplaste (Kurzfasern)
– Pressen glasfaserverstärkter Thermoplaste GMT (Langfasern)
– Verpressen von thermoplastischen Langfasergranulaten LFT, die in einem Plastifizieraggregat inline aufbereitet werden (Langfasern)
– Pressen duroplastischer „Sheet Moulding Compounds“ SMC (Langfasern)
– Umformen endlosfaserverstärkter Gewebe oder Gelege ist in Serien mittlerer bis kleiner Losgröße möglich.
Das wichtigste Kriterium zur Auswahl eines Fertigungsverfahrens ist die Wirtschaftlichkeit. Über die zu erwartenden Stückzahlen und grob abgeschätzte Zykluszeiten kann der Verarbeiter bereits früh eine Vorauswahl treffen. Mit Hilfe einer geeigneten Kombination aus Matrix und Verstärkungsfaser stellt er die Formteileigenschaften je nach Anforderungsprofil ein.
Durch Spritzgießen werden kleine bis mittelgroße Bauteile in hohen bis sehr hohen Stückzahlen produziert. Dafür stehen neben zahlreichen Standardkunststoffen etliche Spezialtypen zur Verfügung, beispielsweise für Hochtemperaturanwendungen. Von der Menge her dominieren Kombinationen aus Polyamid und Glasfasern den Markt. Aufgrund der kurzen Faserlänge werden diese Teile meist nur bei geringeren mechanischen Beanspruchungen eingesetzt. Typische Anwendungen sind Lagerschalen, Zahnräder für Leichtbaukonstruktionen, Abde-ckungen oder Hybridbauteile mit metallischen Einlagen.
Das angebotene Spektrum der thermoplastischen Pressmassen (GMT/LFT) konzentriert sich hauptsächlich auf Verbunde aus Polypropylen und Glasfasern mit unterschiedlichen Faserstrukturen und -anteilen. Typische Bauteile sind die Montageträger der VW-Modelle Polo, Golf und Passat sowie Unterbodenverkleidungen und Geräuschkapselungen. Wie diese Beispiele zeigen, werden Bauteile aus langfaserverstärkten Thermoplasten zum Großteil im Automobilbau eingesetzt.
Höchste Anforderungen an die Oberfläche erfüllt der Werkstoff SMC. Er wird zunehmend für die Außenhaut von Automobilen verwendet. Anwendungen wie das Coupé der S-Klasse von Mercedes-Benz zeigen, dass sich das Material durch seine hohe Wärmeformbeständigkeit serienmäßig im Online-Verfahren lackieren lässt. Dank weiterer Vorzüge wie guter Witterungsbeständigkeit und einstellbarer Feuerresistenz hat sich SMC auch bei Lampengehäusen, feuerfesten Lagerboxen und Steuerungskästen für Ampelanlagen bewährt.
Neben der Werkstoff-Formulierung übt der Verarbeitungsprozess den größten Einfluss auf die späteren Formteil-Eigenschaften aus. Da sich die Faserorientierungen prozessbedingt ergeben, weichen die mechanischen Eigenschaften des Bauteils in der Regel von den Angaben der Halbzeughersteller ab. Die Informationen der Datenblätter können somit nur als Anhaltspunkte für die Auslegung dienen, da die zu Grunde gelegten Faserorientierungen meist nicht denen im Bauteil entsprechen.
Wie sehr die mechanischen Eigenschaften von der Faserorientierung abhängen, veranschaulicht das Beispiel eines Stabes: Liegen 3/4 der Fasern in Stabrichtung und 1/4 quer dazu, so differieren die mechanischen Eigenschaften um den Faktor 2. Dies bedeutet, dass nur mit Kenntnis der Faserorientierungen eine realistische mechanische Auslegung möglich ist. Grobe Abschätzungen mit isotropen Kennwerten führen zu deutlich überdimensionierten Bauteilen und damit zum Scheitern, weil das eigentliche Potenzial der Faserverbunde nicht genutzt wird. Aus diesem Grund wurden in den vergangenen Jahren Simulationsprogramme entwickelt, die den Konstrukteur in seiner Aufgabe unterstützen. Sie basieren größtenteils auf der Methode der Finiten Elemente, mit der sich auch komplexe Bauteile in relativ kurzer Zeit berechnen lassen. Diese Programme simulieren den Formfüllvorgang, berechnen die Faserorientierungen und sagen das zu erwartende Schwindungs- und Verzugsverhalten vorher. Sowohl für das Spritzgießen ist geeignete Software auf dem Markt, beispielsweise Cadmodul, C-Mold, Moldflow, als auch für das Fließpressen wie etwa Express. Der Konstrukteur ist heute nicht mehr allein auf Prototypen angewiesen. Er kann die Eigenschaften der Formteile aktiv am Computer bestimmen und auf ihre Herstellbarkeit und Praxistauglichkeit prüfen.
Die bei komplexen Bauteilen häufig auftretenden Bindenähte kann er zum Beispiel vermeiden, indem er die Lage von Anguss und Anschnitt verändert. Zumindest lassen sich die Bindenähte in Regionen verlagern, die nicht sichtbar sind oder in denen nur geringe mechanische Belastungen auftreten. Auch das Problem von Lufteinschlüssen und des damit verbundenen Diesel-Effekts (Entstehen von Brandflecken) lässt sich leicht beheben. Über eine Abkühlsimulation werden Einfrierprobleme erkannt. Sie hilft, die Zykluszeit zu optimieren.
Bei mechanisch hoch belasteten Bauteilen ist die richtige Auslegung von Steifigkeit und Festigkeit besonders wichtig. Aufgrund der Anisotropie sind diese Eigenschaften lokal unterschiedlich ausgeprägt. Auch hier spielen Faserorientierungen und der lokale Fasergehalt eine dominierende Rolle. Sie lassen sich durch die Vor-Orientierung des Halbzeugs beim Pressen, durch den Faservolumengehalt und durch die Faserstruktur beeinflussen.
Die verschiedensten Bauteilanforderungen können erfüllt werden, wenn die Prozess-Simulation in Zusammenspiel mit Strukturanalyse-Programmen eingesetzt wird. Beispiele dafür sind punktuell hohe oder niedrige Steifigkeiten, verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Schwindungs- und Verzugseigenschaften. Der Entwickler verändert zu diesem Zweck die für die Faserorientierung maßgeblichen Parameter in der Simulation so lange, bis sich das gewünschte Ergebnis einstellt.
Kunststoffe schwinden beim Abkühlen aus dem Schmelzzustand. Zusätzlich tritt Verzug in Form von strukturellen Änderungen, Welligkeiten oder veränderten Eckenwinkeln auf. Die Simulation ermöglicht es nun, Werkzeuge mit einer sogenannten „Bombierung der Kavität“ zu konstruieren: Die Bauteile erhalten lokal ein bestimmtes Verzugs-Aufmaß, so dass sie sich nach der Abformung in die gewünschte Geometrie „verformen“. Andererseits liegt es nahe, mit Hilfe der Simulation bereits in der Konstruktionsphase die Kühlkanäle so zu platzieren, dass unerwünschte Verzugseffekte minimiert werden.
Faserverstärkte Kunststoffe bieten ein hohes Potenzial. Dies zeigt sich zum einen in der geringen Dichte der Werkstoffe und zum anderen im weiten Einsatzspektrum. Insbesondere durch die Wahl des Herstellverfahrens und der Prozessparameter las-sen sich Bauteile mit spezifischen Eigenschaften maßschneidern. Zu diesem Zweck stellt der Markt Simulationsprogramme zur Verfügung, die durch ihren hohen Entwicklungsstand eine gezielte Auslegung ermöglichen.
Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 7
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7.2022
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