Erweiterte Analysen von Mikrostrukturen unter Einsatz von Composites

 
Vielseitig einsetzbar, hohe Festigkeiten, hervorragendes Gewicht und anwendungsbezogene Eigenschaften sind nur einige Punkte die Composites in technischen Produkten bieten. Um Composite Bauteile optimal zu entwickeln muss ein tiefes Verständnis für das Materialverhalten vorliegen. Dabei spielt die Mikrostruktur die ausschlaggebende Rolle, da das Materialverhalten sich grundlegend ändern kann. Somit sollte grundlegendes Verständnis bei dem Verhalten zwischen beispielsweise einem Gewebe oder unidirektionalen Profil vorliegen, welches mittels mikromechanischer Materialmodellierung erweitert werden kann.

Für die richtige Auslegung von Composite Strukturen ist ein tieferes Verständnis des Materialverhaltens unerlässlich. Composites unterscheiden sich nicht ausschließlich durch Ihren Herstellungsprozess und der damit verbunden Mikrostruktur, sondern sind ebenfalls von dem verwendeten Füllstoff bzw. Faserwerkstoff abhängig. Im klassischen Spritzgießprozess findet vermehrt die Kurzglasfaser Verwendung, die durch ihre Orientierung das anisotrope Materialverhalten hervorruft. Dahingegen können Composites verschiedene Formen, Strukturen, Schichtaufbau sowie Füllstoffe besitzen.

Im Allgemeinen werden im Bereich unidirektionale Profile als auch Gewebe keine Kurz- oder Langglasfasern verwendet, da die geforderten Steifig- und Festigkeiten nicht erfüllt werden können. Klassischerweise findet bei diesen Anwendungen die Endlosfaser ihren Einsatz. Damit können Halbzeuge, sogenannte Prepregs, mit sehr hohen Steifigkeiten sowie Festigkeiten hergestellt werden. Prepreg ist die englische Kurzform für „pre-impregnated fibres“ (vorimprägnierte Fasern). Es bezeichnet ein Halbzeug, bestehend aus einer Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix. In einem weiteren Prozessschritt werden diese als Verstärkung eingesetzt um Bauteile hoher Anforderungsprofile herzustellen. Anderseits werden mittels Wickelprozesse entsprechende Endlosfaser verstärkte Systeme produziert. Anwendungen umfassen hierbei z.B. Tanksysteme.

Mittels Material Engineering kann tieferes Verständnis für neue Materialsysteme geschaffen werden. Auf der einen Seite müssen Materialkennwerte der Matrix sowie des Verstärkungsstoffes in ein Materialmodell überführt und ggf. via Reverse Engineering kalibriert werden, auf der anderen Seite sind mit diesen Materialmodellen tiefere Analysen des Materialverhaltens unter Berücksichtigung der Mikrostruktur möglich. Durch den Mehrwert an Informationen rund um das Materialverhalten können Schichtaufbau bei UD-Profilen als auch Webschritte eines Gewebes bzw. Tapes auf den Anwendungsfall optimiert werden. Diese Erkenntnisse können über FE-Analysen innerhalb von Digimat erfolgen, sowie die Implementierung der Mikrostruktur durch Modellierung, als auch experimentelle Daten (CT-Scan). Ganzheitliche Optimierungen von Materialsystemen, die zugeschnitten auf den Anwendungsfall sind, können schnell und einfach umgesetzt werden.

Zusätzlich zur Optimierung der Materialsysteme bezogen auf die Mikrostruktur besteht die Möglichkeit diese Systeme in einer Kopplung zur allgemeinen Strukturanalyse auf der Bauteilebene zu analysieren. Durch eine Kopplung mit der komplexen Materialkarte findet eine Validierung am Produkt statt. Schwachstellen, kritische Bereiche, Überprüfung der Materialperformance als auch Versagensverhalten stehen im Fokus. Mit Hilfe dieser Simulationskette kann einerseits eine ganzheitliche Auslegung von Bauteilen und anderseits Bauteiloptimierung erfolgen. Ebenfalls sind Optimierungen unterschiedlich anzusehen, da diese u.a. zum einen die Performance und zum anderen Gewichtseinsparungen zum Ziel haben können. Selbstverständlich stehen viele weitere Punkte oftmals im Fokus, wie Versagensverhalten, Lebensdauer, NVH, Einfluss von Temperatur oder Einfluss von hohen Dehnraten (Crash). All diese Punkte können mit dem Material Engineering tiefer beleuchtet und schlussendlich numerisch abgesichert werden.

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