Projektbeschreibung
Projektbeschreibung
Das Forschungsprojekt LightConnect besch?ftigt sich mit der Substitution von metallischen Komponenten durch faserverst?rkte Kunststoffe. Ein Fokus des Vorhabens liegt auf tragenden, h?her belasteten Bauteilen im PKW. Als repr?sentatives Referenzbauteil dient eine Aluminium- Federbeinaufnahme eines Serienfahrzeuges.
Diese Fahrzeugkomponenten werden im Druckgussverfahren hergestellt, was ein kostengünstiges und hoch wirtschaftliches Verfahren darstellt. CFK-Bauteile auf Epoxidharzbasis bilden durch lange Zykluszeiten und die erforderliche Nacharbeit keine ad?quate Alternative. Vorgesehen sind daher Matrixmaterialien auf thermoplastischer Basis, die eine Herstellung im Spritzguss erm?glichen. Mit dem Spritzgussverfahren wird erm?glicht, den Faser-Kunststoffverbund auch in Gro?serien rentabel umzusetzen. Perspektivisch gilt es herauszufinden, ob das Referenzbauteil aus Aluminium durch eine spritzgie?technisch hergestellte Federbeinaufnahme ohne werkstoffliche Hybridisierungsma?nahmen substituiert werden kann. Für das Kunststoffteil gelten dabei die gleichen Anforderungen hinsichtlich Steifigkeit, Festigkeit und Crashverhalten wie für das Referenzbauteil.
Dafür wurde das Projekt in drei Kompetenzfelder und unterschiedliche Arbeitspakete unterteilt. Ein Auszug der wichtigsten Ergebnisse der einzelnen Bereiche, die bis zum gegenw?rtigen Zeitpunkt vorliegen sind im Folgenden aufgeführt:
Kompetenzfelder
Die zentrale Rolle des Kompetenzfeldes ?Materialcharakterisierung“ ist die Generierung einer Materialdatenbasis. Basierend auf den Ergebnissen der Beanspruchungsanalyse werden Materialkennwerte durch Schlagbiegeversuche, Zugversuche, Warmzugversuche und Wechselverformungsversuche (W?hler-Versuche) ermittelt. Für die Untersuchung des Crash-Verhaltens der thermoplastischen CFK-Werkstoffe erfolgen Hochgeschwindigkeitsversuche an einer Schnellzerrei?maschine. Durch die im Spritzguss entstandene Faservorzugsrichtung werden die Untersuchungen an Probek?rpern mit unterschiedlicher Orientierung zur Schmelzeflussrichtung durchgeführt.
Herausforderungen entstehen u.a. bei der der klebetechnischen Anbindung an metallische Anbauteile. Die Ermittlung geeigneter Fügeparameter zwischen Metallprofilen und dem thermoplastischem CFK spielt dabei eine wichtige Rolle. Zur Bewertung von Klebeverbindungen sind neben Ermittlungen der quasi-statischen Kennwerte bruchmechanische Wechselverformungsexperimente erforderlich, die pr?zise Aussagen über das Ermüdungssch?digungsverhalten erm?glichen.
Durch begleitende rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Bruchfl?chen kann der Sch?digungsmechanismus (koh?sives/adh?sives Versagen, Versagen der Faser-Matrix-Grenzfl?chenhaftung, Faserbruch) identifiziert werden.
/.../labor-fuer-materialdesign-und-werkstoffzuverlaessigkeit/wissenschaftstransfer/
Im Kompentenzfeld Werkstoffdesign und Betriebsfestigkeit wird mithilfe von numerischen Verfahren und anhand realer Versuche das Verformungsverhalten und die Bauteilfestigkeit untersucht. Hierbei wird das Werkstoffverhalten für den statischen Fall sowie bei dynamischer Beanspruchung in Bezug auf die Sch?digung analysiert. Aus dieser Basis wird die experimentelle und rechnerische Betriebsfestigkeitsanalyse durchgeführt.
Für die Berechnung des Verformungsverhaltens musste zun?chst eine dem Fertigungsprozess Spritzguss entsprechende Geometrie entwickelt werden. Als Ausgangsbasis wurde das im Forschungsprojekt vorgegebene Referenzbauteil (Aluminium-Federbeinaufnahme) verwendet. Unter Berücksichtigung des vorgegebenen Bauraums und der Anbindungsfl?chen zur Karosserie wurde ein Designbauraum erstellt. Auf dieser Grundlage wurden mehrere Iterationsschleifen der Topologieoptimierung durchgeführt und ein erstes Spritzgussdesign der Federbeinaufnahme entwickelt.
Demobauteil
Da der am h?chsten beanspruchte im Bereich des Domlagers zu finden ist, wird eine topff?rmige Zwischengeometrie (Demobauteil) entwickelt. Diese Geometrie ist so gestaltet, dass sie geometrisch ?hnlich im Domlagerbereich der Federbeinaufnahme integriert werden kann. Damit lassen sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse aus der Fertigung und der Prüfung dieses Demobauteils direkt auf die gesamte Federbeinaufnahme übertragen. Das Demobauteil ist in der unteren Abbildung dargestellt.
Das Kompetenzfeld Kunststoffverarbeitung und Integrative Simulation unterteilt sich in den praktischen Teil der Kunststoffverarbeitung, in den für das Bauteildesign und die mechanischen Eigenschaften grundlegende Untersuchungen mit dem langkohlefaserverst?rkten Polyamid durchgeführt werden. Relevante Ergebnisse in diesem Bereich sind unter anderem:
- Abh?ngigkeit der mechanischen Eigenschaften von Prozessparametern mittels Design of Experiment
- Fasersch?digung durch den Verarbeitungsprozess
- Untersuchungen zum Flie?weg-Wanddicken-Verh?ltnis zur Beurteilung
Der zweite Teil des Kompetenzfeldes befasst sich mit der Integrativen Simulation von faserverst?rkten Kunststoffen. Ziel der Integrativen Simulation ist Kopplung der Prozesssimulation mit der Struktursimulation, sodass prozessbedingte Ph?nomene, wie die anisotropen Eigenschaften aufgrund der Faserausrichtung oder die Fasersch?digung, in der Struktursimulation berücksichtigt werden k?nnen. Auf Basis der Ergebnisse aus der Materialcharakterisierung, bei denen Probek?rper aus Platten in 0° und 90° zur Flie?richtung geprüft wurden, wurde ein Materialmodell kalibriert. In dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm sind die Prüfungsergebnisse der Probek?rper und die Simulationsergebnisse mit dem kalibrierten Materialmodell in 0° und 90° zur Flie?richtung dargestellt.
An den Designvarianten aus dem Bereich Werkstoffdesign werden zum einen Spritzgie?simulationen durchgeführt, mit denen das Design hinsichtlich der Eignung für den Spritzgie?prozess bewertet wird. Zum anderen wird mit der Spritzgie?simulation die Faserorientierung prognostiziert, welche als Basis für die strukturmechanischen Simulationen dient. Durch die Integrative Simulation erfolgt die abschlie?ende Designbewertung von Federbeinaufnahme und Demobauteil hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften.
Webseite: /de/laborbereich-kunststofftechnik/