Auslegung von dynamisch beanspruchten Komponenten aus kurzfaserverstärkten Kunststoffen

Kurzfaserverstärkte Kunststoffe ermöglichen Leichtbau und Ressourceneffizienz. Die Bauteilherstellung im Spritzgussverfahren ist kostengünstig und erlaubt große Gestaltungsfreiheit. Wechselwirkungen zwischen Material, Fertigungsprozess, Betriebsverhalten und Lebensdauer erfordern jedoch ein abgestimmtes Entwicklungsverfahren. Das Fraunhofer LBF hat dazu ein interdisziplinäres Kompetenzteam aufgebaut, welches alle Phasen der Produktentwicklung methodisch unterstützt. Zuverlässig planbare Entwicklungsprozesse und innovativer Leichtbau sind das Resultat.

Hochbelastete Kunststoffkomponenten finden sich heute in vielen technischen Anwendungen vom Automobil- und Nutzfahrzeugbau über Haushaltsgeräte bis hin zu Elektrowerkzeugen. Im Spritzgussverfahren verarbeitet vereinen sie hohes Leichtbaupotential mit großer Gestaltungsfreiheit und geringen Herstellkosten. Durch Verstärkung mit Glas-, Kohlenstoff- oder Naturfasern werden hohe Steifigkeiten und Festigkeiten erreicht. Die damit verbundene Materialeinsparung gewinnt auch aus ökologischen Gründen zunehmend an Bedeutung.

Die Entwicklung leichter Kunststoffbauteile erfordert die Berücksichtigung verschiedener Wechselwirkungen. So ergibt sich beispielsweise die Verteilung und Ausrichtung von Verstärkungsfasern im Bauteil während des Spritzgussvorgangs und führt prozessabhängig zu anisotropen Materialeigenschaften. Werden diese Bauteile im Betrieb zu Vibrationen angeregt, hängt ihre Lebensdauer von ihrem Schwingverhalten und ihrer Schwingfestigkeit ab, welche beide durch die Verteilung der Fasern beeinflusst werden. Hinzu kommen Umgebungseinflüsse wie Temperatur, Feuchtigkeit und andere Medien (Kraftstoffe, AdBlue, Kühlmittel usw.), sowie Nicht-linearitäten im Materialverhalten. In diesem Zusammenhang bieten Materialdaten aus Datenblättern zumeist nur einen eingeschränkten Informationsgehalt.

Effiziente Entwicklungsprozesse für innovativen Leichtbau

Rückmeldungen aus der industriellen Anwendung und die wissenschaftliche Erfahrung zeigen, dass es für effiziente Entwicklungsprozesse notwendig ist, die verschiedenen kunststoffspezifischen Einflüsse in der Bauteilauslegung miteinzubeziehen und verfügbare Werkzeuge und Verfahren im Rahmen effizienter Entwicklungsprozesse zu kombinieren.

Um unsere Partner hier bestmöglich zu begleiten hat das Fraunhofer LBF aus Spezialisten für Kunststoffverarbeitung, Materialcharakterisierung, Modellierung, Schwingungstechnik und Betriebsfestigkeit ein interdisziplinäres Kompetenzteam gebildet. Es bündelt umfassende Ausstattung und Expertise zur Anwendung geeigneter Berechnungsmodelle, der Ermittlung der notwendigen Materialkennwerte sowie zur numerischen Simulation und experimentellen Validierung des Schwingverhaltens und der Lebensdauer.

Das Kompetenzteam liefert Hilfestellung bei der Frage, inwieweit sich die verschiedenen Effekte in numerischen Berechnungen berücksichtigen lassen, wie sich dazu verschiedene Simulationsmethoden verknüpfen lassen und an welchen Stellen Entwicklungsaufwände reduziert werden können. Beispielsweise sei hier die Berücksichtigung der Faserverteilung durch eine vorgelagerte Spritzgießsimulationen genannt, auf deren Basis sich wiederum Steifigkeit, Schwingverhalten, Beanspruchungsverteilung und Lebensdauer ergeben. Unterschiedliche Simulationsmethoden erfordern jeweils spezielle Materialdaten und auch die Zusammenstellung verschiedener Analyseverfahren erfordert fachübergreifende Erfahrung. Vereinfachungen der manchmal komplexen Modelle sind dabei häufig möglich und auch notwendig - auch aufgrund von eingeschränkten Möglichkeiten in den Berechnungsprogrammen. Abhängig von den Projektzielen, ist der bestmögliche Kompromiss zwischen Nutzen und Aufwand zu erreichen. Eine gezielte Validierung von Prozessschritten durch Vergleich mit experimentellen Ergebnissen gibt der Entwicklung die nötige Sicherheit.

Unseren Kunden erhalten damit aus einer Hand Unterstützung in allen Phasen der Produktentwicklung. Gemeinsam mit Industriepartnern werden kundenspezifische, anwendungsorientierte Methoden entwickelt und die Überführung in die vorhandene Infrastruktur begleitet. Das Resultat: zuverlässig planbare Entwicklungsprozesse und innovativer Leichtbau.

»Die Analyse des vorhandenen Entwicklungsprozesses von schwingungsbelasteten Kunststoffbauteilen hat in der Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer LBF Optimierungen aufgezeigt. Wissenschaftliche Grundlagen, fachliche Kompetenz und planmäßige Durchführung waren die Basis einer vertrauensvollen Zusammenarbeit, für die wir uns bedanken.«

Dr. Andreas Kruppa, Vice President MAN Truck & Bus SE