Simcon: Forschungsprojekt NFC-Simulation - Erste Ergebnisse zur Halbzeit

Bild 1: Füllbild des gespritzten Probekörpers

Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen im Automobilbau stoßen auf immer größeres Interesse. Insbesondere naturfaserverstärkte Kunststoffe, so genannte Natural Fiber Compounds (NFC), weisen gute mechanische Eigenschaften auf und sind großserientauglich.

Damit diese, auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden, Materialien im Automobil in großen Stückzahlen eingesetzt werden können, ist es jedoch erforderlich, dass die daraus hergestellten Bauteile berechenbar sind. Das heißt erstens, dass durch Simulation nachgewiesen werden kann, dass die Bauteile den Belastungen im Fahrzeug sowohl bei der normalen Nutzung, bei Missbrauch als auch im Falle eines Unfalls gewachsen sind. Zweitens muss durch Simulation bestätigt werden, dass das Bauteil mit der geforderten Qualität und Produktionssicherheit hergestellt werden kann. Nur durch diese in der Automobilindustrie fest etablierte Vorgehensweise können die heute üblichen kurzen Entwicklungszeiten realisiert werden.

Ziel des Projekts ist es daher für Naturfaser-Compounds die notwendigen Polymereigenschaften zu ermitteln, zu beschreiben und für die Simulation verfügbar zu machen, damit NFCs den gleichen Status bei der Werkstoffauswahl erhalten wie bereits etablierte klassische Kunststoffe.

Nach der Hälfte der Projektlaufzeit von 3 Jahren hat das Konsortium von 11 Firmen und Hochschul-Instituten um den Automobilhersteller Ford schon erste Ergebnisse vorzuweisen:

Bild 2: Berechnete Faserorientierungen (bisheriges Modell) im gespritzten Bauteil und übertragen an den quer zur Fließrichtung ausgeschnittenen Probekörper

Unter anderem wurden insgesamt 18 verschiedene Faser Matrix Compounds hergestellt und daraus Probekörper gespritzt. Für 8 Naturfaserarten wurden die mikro-mechanischen Eigenschaften vor und nach der Verarbeitung ermittelt. Die für die Spritzgießsimulation notwendigen Polymerdaten (Viskositätsfunktion, pvT-Daten) wurden ebenso wie das Spannungs-Dehnungs-Verhalten bei quasistatischen und dynamischen Belastungen bestimmt. Mit der Simulation des Verhaltens einzelner Fasern wurde ein mechanistisches Modell entwickelt, auf welchem aufbauend in der Spritzgießsimulation (Bild 1) die Voraussetzungen geschaffen werden das spezielle Verhalten der Naturfasern in der Spritzgießsimulation zu berechnen. Darüber hinaus wurden Schnittstellen von der Spritzgießsimulation zu gängigen Struktursolvern geschaffen (Bild 2). Damit kann der Einfluss der Naturfasern im gespritzten Bauteil auf das mechanische Verhalten des Bauteils bis hin zur Crash-Simulation berechnet werden, sobald die Faserorientierungsmodelle für die Naturfasern in die Spritzgießsimulationssoftware integriert sind.

In den verbleibenden 1,5 Projektjahren ist darüber hinaus folgendes vorgesehen:

Einbindung des Faserorientierungsmodells in eine kommerzielle Fließsimulationssoftware
Hochskalierung der Compoundproduktion für ausgewählte Materialien auf ein seriennahes Niveau
Einbindung der Materialmodelle in kommerzielle CAE-Software insbesondere zur Verarbeitungs- und Crash-Simulation
Simulation eines Serienbauteiles
Produktion des Serienbauteiles und umfangreiche mechanische Prüfung, inklusive Crashverhalten

Die Projektpartner sind:

Ford Forschungszentrum Aachen GmbH, Aachen
IAC (International Automotive Components), Ebersberg
LyondellBasell, Frankfurt
Kunststoffwerk Voerde Hueck & Schade GmbH & Co. KG, Ennepetal
Simcon Kunststofftechnische Software GmbH, Würselen
M-Base Engineering + Software GmbH, Aachen
University of Wisconsin-Madison, Madison
Fachhochschule Hannover; Hannover
Hochschule Bremen; Bremen
Technische Universität Clausthal, Institut f. Polymerwerkstoffe u.
Kunststofftechnik; Clausthal
Deutsches Kunststoff Institut (DKI), Darmstadt

Gefördert wird das Projekt durch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe als deren Projektträger.

Weitere Informationen: www.simcon.com

Simcon kunststofftechnische Software GmbH, Würselen

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