RESEARCH GROUP COMPUTED TOMOGRAPHY

UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES UPPER AUSTRIA - RESEARCH & DEVELOPMENT LTD.

3D Simulation der Schadensakkumulation richtungsabhängiger faserverstärkter Kunststoffe mittels Computertomografie

3D-SFC: März 2012 – Februar 2014

Ziel des Projekts ist es, zuverlässige Festigkeits- und Lebensdauervorhersagen für reale faserverstärkte thermoplastische Kunststoffbauteile zu treffen, die den Einfluss von Veränderungen der Mikrostruktur bei Langzeitbelastungen auf die Stabilität des Endprodukts berücksichtigen. Speziell für hochbelastete Komponenten aus der Automobilindustrie wird die Schädigung durch Langzeitbelastungstests mittels 3D-Computertomografie bestimmt. Daraus werden theoretische Modelle entwickelt, die diese Schädigungsmechanismen und lokale Faserorientierungen berücksichtigen, wodurch eine präzise Vorhersage für die verbleibende Lebensdauer eines Produkts aufgrund der Kenntnis der Schadensmorphologie möglich ist. Die Bauteilauslegung kann mit Hilfe der entwickelten Modelle deutlich material- und zeiteffizienter durchgeführt werden. Die Ergebnisse des Projekts sind insbesondere für die Automobilindustrie, Leichtbau, Freizeit-, Elektronik- und Konsumgüterindustrie relevant.

Projekt-3DSFC BASF-plastics-article ref

Projekt-3DSFC CFD-Sim-moldflow

Projekt-3DSFC GlassFibreswithExtraction

Fördergeber: FFG
Förderprogramm: Intelligente Produktion, 1.Ausschreibung

Kontakt

Dietmar Salaberger
Tel: +43 50804-44440
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! 

 

Ausgangssituation / Problematik

Für Leichtbauanwendungen in der Automobilindustrie sowie anderen Industriebranchen werden immer mehr hochbelastete Strukturbauteile aus faserverstärkten Kunststoffen im Spritzgussverfahren hergestellt. Der Grund hierfür liegt in der hohen Flexibilität bei der Formgebung, der schnellen, kostengünstigen und automatisierten Fertigung beim Spritzgussprozess sowie den verbesserten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringerem Gewicht der so hergestellten Bauteile.

Für die Bauteilauslegung werden Simulationswerkzeuge verwendet, die Aussagen über Festigkeiten bei statischer und dynamischer Belastung generieren. Allerdings weisen faserverstärkte Kunststoffbauteile starke Streuungen in Simulation und Realität auf, die derzeit nur schwierig zu erfassen und zu modellieren sind. Diese Streuungen sind vor allem durch Variationen der morphologischen Kennwerte wie Faserorientierung und Faserlängenverteilung sowie vorhandene Defekte des Verbundwerkstoffes verursacht. Daten über Dauerfestigkeiten und Betriebsfestigkeit müssen durch langwierige und aufwändige mechanische Langzeitbelastungstests an realen Komponenten ermittelt werden.

Methoden / Ziele

Das 3D-SFC Projekt hat zum Inhalt, theoretische Modelle für Festigkeitssimulationen zu entwickeln, die Mechanismen, die zum Ermüdungsbruch bei zyklischer Dauerbelastung führen, abbilden. Um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu steigern, werden Werte für lokale Faserorientierungen und Faserlängen an realen Bauteilen bestimmt und diese in die Modelle integriert. Die Ursachen für das Versagen der Bauteile liegen in der Entstehung von Schädigungen im Matrix-Faserverbund. Defekte wie Poren, Risse, Faserbrüche oder Verlust der Faser-Matrix Haftung entstehen bei zyklischer Belastung. Schädigungen dieser Art werden mittels industrieller Computertomografie drei dimensional erfasst und quantifiziert. Unterbrochene Dauerschwingversuche, bei denen vor, nach und zwischen den Versuchen die drei-dimensionale Quantifizierung der Schädigung mittels Computertomografie durchgeführt wird, generiert ein umfassendes Verständnis für die Schadensakkumulation. Ein Zusammenhang zwischen Schädigung, Belastung und Lebensdauer kann auf diese Weise hergestellt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann in mathematische Modelle übergeführt und validiert.

Projekt-3DSFC Schädigungsskala-1

Ergebnisse / Erkenntnisse

Die Ergebnisse tragen dazu bei, den Materialeinsatz bei der Bauteilauslegung durch Überdimensionierungen und unnötig hohe Sicherheitsfaktoren zu reduzieren. Eine Reduktion von Entwicklungszyklen wird durch die Kenntnis der Beziehung - Schädigung zu Lebensdauer - und der Möglichkeit der Lebensdauerbestimmung durch Simulation in einem frühen Stadium der Bauteilentwicklung erzielt. Die angewendete Methodik stellt insofern eine grundlegende Neuerung dar, weil eine morphologische Beschreibung der Schädigung durch 3-dimensionale Computertomographiemessungen an realen Bauteilen als Basis für Festigkeitssimulationen verwendet wird und damit Lebensdauervorhersagen möglich werden. Aufwändige Langzeitbelastungstests an produzierten Realbauteilen werden dadurch eingespart.

 Kooperationspartner

  • FH Oberösterreich Campus Wels (Koordinator)
  • dTech Steyr
  • Zizala Lichtsysteme Wieselburg
  • TU Wien, Institut für Werkstoffwissenschaften und –technologie
     
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