Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Phänomenologisches Berechnungskonzept verkürzt das Auslegen von Spritzgussformteilen

13.08.2018

Kurzglasfaserverstärkte, thermoplastische Spritzgussformteile ersetzen immer häufiger herkömmliche aus Stahl oder Aluminium. Das Fraunhofer LBF hat im Zuge eines IGF-Vorhabens ein Verfahren entwickelt, um die Faserorientierung von kurzglasfaserverstärkten Spritzgussformteilen schon in einer Phase zu berücksichtigen, in der noch keine Bauteile wie etwa Prototypen vorliegen. Das phänomenologische Berechnungskonzept schließt eine große Lücke in der Auslegungskette solcher Formteile. Mithilfe des Konzeptes ist es möglich, schon frühzeitig in der Bauteilentwicklung das richtungsabhängige Bauteilverhalten auf Formelemente abzuschätzen und das Bauteil belastungsgerecht auszulegen.

Das reduziert kostspielige Iterationsschleifen und verkürzt folglich die komplette Entwicklung und Fertigung.Darüber hinaus kann das Konzept auch in Bereichen angewendet werden, in denen bislang die Integrative Simulation zu kosten- oder zeitintensiv war. Abhängig vom geforderten Detaillierungsgrad kann das neue Verfahren als eigenständige Lösung der Bauteilauslegung oder als vorgelagerte Ergänzung für die Integrative Simulation angesehen werden.


Hauptkomponenten des Faserorientierungstensors (zweiter Ordnung) über die normierte Probendicke (oben: Dom klein. Links: Rippe längs zur Fließrichtung, rechts: Rippe senkrecht zur Fließrichtung).

Grafik: Fraunhofer LBF


Validierungssimulationen zeigen Potentiale der neu entwickelten Methode und deren Einsatzmöglichkeiten, z.B. optimierte anisotrope Ansätze und vereinfachte phänomenologische Modelle.

Grafik: Fraunhofer LBF

Typische Einsatzgebiete für kurzglasfaserverstärkte, thermoplastische Spritzgussformteile sind die Automobilindustrie oder auch die Luft- und Raumfahrt. Insbesondere im Automobilbau, der große Stückzahlen in kürzester Zeit fordert, stellt der Spritzgussprozess ein effizientes Herstellungsverfahren von Kunststoffen dar, welches zudem hohe Gestaltungsfreiräume ermöglicht.

Jedoch bleibt die Vorhersage der Faserorientierung, die sich durch Prozess, Material und Geometrie lokal einstellt, eine große Herausforderung. Sie ist noch immer Stand aktueller Forschungsarbeiten.

Eine Methode, die Faserorientierung in die Auslegung von entsprechenden Formteilen einzubinden, ist die Integrative Simulation. Sie ermöglicht es, relevante Prozessinformationen mithilfe einer geeigneten Schnittstelle in eine gekoppelte Struktursimulation zu überführen und so das Bauteilverhalten vorherzusagen.

Die einzelnen Schritte der integrativen Simulation müssen jedoch allesamt stets mit experimentellen Daten validiert und kalibriert werden. Dies bedeutet, dass Prozessparameter und Werkzeuggeometrien bekannt sein und reale Formteile vorliegen müssen. Folglich bietet sich dieses Konzept erst ab einem Punkt in der Bauteilentwicklung an, ab dem bereits Prototypen hergestellt werden können.

Vor diesem Hintergrund berücksichtigt das im Fraunhofer LBF entwickelte Verfahren die Faserorientierung von kurzglasfaserverstärkten Spritzgussformteilen schon in einer Phase, in der noch keine Realbauteile vorliegen.

Neues Spritzgusswerkzeug für Faserorientierungsuntersuchungen

Anders als in vollintegrativen Ansätzen erfolgt die Zuordnung der Faserorientierung bei dem vom Fraunhofer LBF entwickelten Verfahren nicht auf Basis von Finite-Elementen, sondern anhand von Formelementen oder signifikanten Bereichen. Dies können beispielweise Rippen, Dome oder flächige Bereiche sein.

Für die Untersuchung der Faserorientierung in Abhängigkeit vom Formelement und Anströmwinkel entwickelten die Wissenschaftler ein neues Spritzgusswerkzeug. Dieses bietet die Möglichkeit, bei gleichbleibender Formteilbasis unterschiedliche Formelemente zu integrieren. Als Wechseleinsätze für Formelemente kamen große und kleine Dome beziehungsweise Rippen zum Einsatz.

Mit dem neuen Werkzeug ist es möglich, den Einfluss der Strömungsverhältnisse durch Variation des Anströmwinkels zu untersuchen. Weitere Einsätze können dank des Konzeptes kostengünstig ergänzt werden. Das Werkzeug verfügt über zwei Kavitäten mit unterschiedlichen Wandstärken, welche unabhängig voneinander betrieben werden können. Die Basis der Formteile ist eine 60 Millimeter x 60 Millimeter große Platte.

Großes Spektrum der Faserorientierungen

Bei ihren experimentellen Faserorientierungsanalysen fanden die Darmstädter Wissenschaftler vielfältig ausgeprägte Faserorientierungen. Aus dem Orientierungstensor zweiter Stufe können die notwendigen Informationen für das angestrebte Modellierungsverfahren, nämlich Hauptorientierung und Grad der Verteilung, abgeleitet werden. Mit den vorliegenden Informationen lassen sich nun Anisotropiegrad und Vorzugsrichtung schichtweise ermitteln.

Die Anzahl der Schichten kann hierbei als Änderung der Orientierungsverteilung (materialgerecht) oder als manuelle Vorgabe (erfahrungsbasiert) definiert werden. Ein automatischer Analysealgorithmus ermittelt für jede identifizierte Schicht ein geeignetes Materialmodell, beispielsweise isotroper- oder orthotroper Art, sowie alle notwendigen Modellparameter. Hierzu sind neben den Daten aus dem Computer Tomographen einfach zu ermittelnde mechanische Versuchsdaten als Eingabe notwendig.

Im Anschluss können diese Informationen auf das Bauteil der Struktursimulation übertragen werden (Mapping). Die Methode lässt sich sowohl auf Ergebnisse von Spritzgusssimulationen, als auch auf Ergebnisse von CT-Analysen anwenden.

Neben einer vereinfachten Auslegungsstrategie ergeben sich weitere Anwendungsszenarien aus einer formelementabhängigen Informationsdatenbank. Einerseits können die Informationen genutzt werden, um Bauteile belastungsgerecht auszulegen, beispielsweise Rippen an den richtigen Positionen in optimaler Ausprägung und Ausrichtung. Zudem hat sich gezeigt, dass die Ergebnisse genutzt werden können, um die Faserorientierungsorientierungsberechnung integrativer Ansätze zu optimieren.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des IGF-Vorhabens 18362N „Phänomenologische Berechnungsstrategie für kurzfaserverstärkte Spritzgussformteile“ erarbeitet, welches über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

M.Eng. Markus Fornoff, markus.fornoff@lbf.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.lbf.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/phaenomenologisches-b...

Anke Zeidler-Finsel | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Mit Polyphosphat gegen die Plastikberge in den Weltmeeren
03.09.2018 | Fachhochschule Münster

nachricht Nasschemisches Beschichtungsverfahren mit Potential
30.08.2018 | INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Der Truck der Zukunft

Lastkraftwagen (Lkw) sind für den Gütertransport auch in den kommenden Jahrzehnten unverzichtbar. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Technischen Universität München (TUM) und ihre Partner haben ein Konzept für den Truck der Zukunft erarbeitet. Dazu zählen die europaweite Zulassung für Lang-Lkw, der Diesel-Hybrid-Antrieb und eine multifunktionale Fahrerkabine.

Laut der Prognose des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur wird der Lkw-Güterverkehr bis 2030 im Vergleich zu 2010 um 39 Prozent steigen....

Im Focus: Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma

Feuert man Lichtpulse aus einer extrem starken Laseranlage auf Materialproben, reißt das elektrische Feld des Lichts die Elektronen von den Atomkernen ab. Für Sekundenbruchteile entsteht ein Plasma. Dabei koppeln die Elektronen mit dem Laserlicht und erreichen beinahe Lichtgeschwindigkeit. Beim Herausfliegen aus der Materialprobe ziehen sie die Atomrümpfe (Ionen) hinter sich her. Um diesen komplexen Beschleunigungsprozess experimentell untersuchen zu können, haben Forscher aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine neuartige Diagnostik für innovative laserbasierte Teilchenbeschleuniger entwickelt. Ihre Ergebnisse erscheinen jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review X“.

„Unser Ziel ist ein ultrakompakter Beschleuniger für die Ionentherapie, also die Krebsbestrahlung mit geladenen Teilchen“, so der Physiker Dr. Thomas Kluge vom...

Im Focus: Bio-Kunststoffe nach Maß

Zusammenarbeit zwischen Chemikern aus Konstanz und Pennsylvania (USA) – gefördert im Programm „Internationale Spitzenforschung“ der Baden-Württemberg-Stiftung

Chemie kann manchmal eine Frage der richtigen Größe sein. Ein Beispiel hierfür sind Bio-Kunststoffe und die pflanzlichen Fettsäuren, aus denen sie hergestellt...

Im Focus: Patented nanostructure for solar cells: Rough optics, smooth surface

Thin-film solar cells made of crystalline silicon are inexpensive and achieve efficiencies of a good 14 percent. However, they could do even better if their shiny surfaces reflected less light. A team led by Prof. Christiane Becker from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) has now patented a sophisticated new solution to this problem.

"It is not enough simply to bring more light into the cell," says Christiane Becker. Such surface structures can even ultimately reduce the efficiency by...

Im Focus: Mit Nano-Lenkraketen Keime töten

Wo Antibiotika versagen, könnten künftig Nano-Lenkraketen helfen, multiresistente Erreger (MRE) zu bekämpfen: Dieser Idee gehen derzeit Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen (UDE) und der Medizinischen Hochschule Hannover nach. Zusammen mit einem führenden US-Experten tüfteln sie an millionstel Millimeter kleinen Lenkraketen, die antimikrobielles Silber zielsicher transportieren, um MRE vor Ort zur Strecke zu bringen.

In deutschen Krankenhäusern führen die MRE jährlich zu tausenden, teils lebensgefährlichen Komplikationen. Denn wer sich zum Beispiel nach einer Implantation...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Experten der Orthopädietechnik tagen in Göttingen

19.09.2018 | Veranstaltungen

Von den Grundlagen bis zur Anwendung - Internationale Elektrochemie-Tagung in Ulm

18.09.2018 | Veranstaltungen

Unbemannte Flugsysteme für die Klimaforschung

18.09.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Fester Platz im Unternehmen - 36 Auszubildende und Studierende der Friedhelm Loh Group erhalten Zeugnisse

19.09.2018 | Unternehmensmeldung

Virtual Reality ohne Kopfschmerz oder Simulationsübelkeit

19.09.2018 | Informationstechnologie

Kaiserslauterer Architekten setzen Holzkuppel dank Software einfach wie Puzzle zusammen

19.09.2018 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics