Kurz- und langfaserverstärkte Kunststoffbauteile

Ausgangslage

Ein nachhaltiger Umgang mit fossilen Ressourcen kann nur mit einem intelligenten und wirtschaftlichen Leichtbaukonzept umgesetzt werden. Deshalb spielen carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit bei minimalem Gewicht z.B. in der Luft- und Raumfahrt eine entscheidende Rolle. In Großserien verhindern jedoch der langwierige Produktionsprozess und die Materialkosten den Einsatz von herkömmlichen CFK-Bauteilen auf Basis von Epoxidharzen.

Projektziel

Im Rahmen des Forschungsprojektes LightConnect soll diesen Herausforderungen mit einer systematischen Betrachtung der Wertschöpfungskette von hoch beanspruchten Bauteilen begegnet werden, von der Beanspruchungsanalyse über das Design optimierter FKV/Metall-Hybridkomponenten und die virtuelle Bauteilauslegung bis hin zum spritzgegossenen Prototypen.

Vorgehensweise

In diesem Forschungsprojekt soll eine aus Aluminiumdruckguss gefertigte Federbeinaufnahme, ein repräsentatives Beispiel für ein hoch beanspruchtes Bauteil aus der Automobilbranche, durch ein Kunststoff-Metall-Hybridbauteil substituiert werden.

Dazu müssen die optimalen Spritzgießparameter für ausgewählte langfaserverstärkte Thermoplaste und die ideelle Bauteilgeometrie gefunden werden, sodass  Festigkeit, Steifigkeit, Crash- und Langzeitverhalten den Anforderungen des Aluminiumgussteils gerecht werden. Zu diesem Zweck werden Struktursimulationen durchgeführt, sodass nicht nur die Faserorientierung der langfaserverstärkten Kunststoffe vorhergesagt werden kann, sondern später auch das Crash-Verhalten in der Simulation wiedergespiegelt werden kann. Die Ergebnisse sind im Anschluss über einen Prüfstandsversuch zu validieren.

Laufzeit:

01. November 2016 bis 30. Oktober 2021

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Thorsten Krumpholz

Projektziel:

Über eine innovative Werkzeugtechnik soll eine Relativbewegung gegenüberliegender Kavitätsoberflächen während des Einspritzvorganges gelingen, wodurch die Faser- und Molekülorientierungen beeinflusst und das Verwischen von Bindenähten umgesetzt werden soll. Mit diesem Vorgehen soll die zulässige Spannung in tangentialer Richtung von innendruckbelasteten Bauteilen signifikant erhöht werden.

Projektergebnisse:

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde gemeinsam mit dem Projektpartner & Werkzeugbauer H. Sundermeier GmbH, Hüllhorst, ein Spritzgießwerkzeug für ein becherförmiges Bauteil entwickelt, konstruiert und gefertigt. Hierbei ist der Werkzeugkern drehbar gelagert und kann über einen Elektromotor angetrieben werden. Die Ansteuerung des Motors erfolgt hierbei über die Spritzgießmaschine und ist in den Prozess integriert.

Mithilfe von statistischen Versuchsplänen wurden verschiedene Materialien sowie Einflüsse von Drehdauer und –geschwindigkeit untersucht. Auswertungen von Ringzug- und Berstdruckversuchen sowie mikroskopische Analysen zeigen, dass bei einigen unverstärkten Kunststoffen eine leichte Verbesserung der Mechanik erzielt werden kann. Einen starken signifikanten Einfluss hat die rotatorische Scherbewegung durch den rotierenden Werkzeugkern auf faserverstärkte Kunststoffe, bei denen ein Großteil der Fasern in tangentiale Richtung orientiert werden kann. Je nach Material und Versuch können hier Festigkeitssteigerungen von über 100 % erzielt werden.

Laufzeit:

01. April 2016 bis 30. Juni 2018

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Thorsten Krumpholz

Telefon: 0541 969-7132       
t.krumpholz@hs-osnabrueck.de 

David Diring B.Sc.

Telefon: 0541 969-3829     
david.diring@hs-osnabrueck.de

Ausgangslage:

Die Umsetzung eines Spritzgießwerkzeuges mit drehendem Werkzeugkern und die draus resultierende starke Umorientierung von Fasern in tangentiale Richtung führt bei der Auslegung von Bauteilen, die mit diesem Verfahren hergestellt werden sollen, zu neuen Herausforderungen. Nach aktuellem Stand der Technik ist es nicht möglich, die Umorientierung der Fasern in der strukturmechanischen Auslegung von Bauteilen zu berücksichtigen.

Projektziel:

Über umfangreiche Untersuchungen zum Werkzeugsystem mit drehendem Kern soll ein vertiefendes Prozessverständnis aufgebaut werden. Mit diesen Erfahrungen soll eine Auslegungsmethodik entwickelt werden, bei der eine Berücksichtigung der Faserumorientierung auf Basis der Integrativen Simulation möglich ist.
Zudem sollen Optimierungen am Werkzeug und die gezielt für diesen Herstellungsprozess entwickelte Compounds zu weiteren Fortschritten der Prozesstechnik führen.

Vorgehensweise:

Durch detaillierten Analysen an kurz- und langfaserverstärkten Kunststoffen wird ermittelt, welchen Einfluss die Wanddicke und Drehzahl auf die Faserumorientierung haben. Diese Ergebnisse sind die Grundlage der Auslegungsmethodik. Im Rahmen des Projektes wird aktuell an der Implementation dieser Daten bei anisotropen, strukturmechanischen Simulationen gearbeitet. Ziel ist es, die optimale Faserorientierung für die Belastungssituation eines Bauteils zu bestimmen, sodass eine optimale Materialeffizienz erreicht werden kann.

Laufzeit:

01. Januar 2019 bis 30. November 2021

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Thorsten Krumpholz

Telefon: 0541 969-7132       
t.krumpholz@hs-osnabrueck.de 

David Diring B.Sc.

Telefon: 0541 969-3829     
david.diring@hs-osnabrueck.de

Ausgangslage

Thermoplastische Faserverbundkunststoffe eignen sich durch ihre Umformbarkeit und Schweißbarkeit sehr gut für Großserien-Anwendungen und lassen sich mit bereits etablierten Verfahren wie dem Spritzgießen kombinieren. Durch den Einsatz lastpfadgerecht positionierter Tapelaminate aus vorimprägnierten unidirektionalen Verstärkungsfasern (UD-Tapes) in Leichtbau-Strukturbauteilen, kann durch bessere Materialeffizienz ein weiterer Meilenstein der Ressourcenschonung erreicht werden

Projektziel

Das Gesamtziel des geplanten Vorhabens besteht darin, eine durchgängige, standardisierte Auslegungsmethodik für Tapelaminat-Spritzguss-Hybridbauteile (TSH) zu erarbeiten und die Übertragung vom Stand der Forschung in die Praxis umzusetzen.

Vorgehensweise

Zuerst werden die mechanischen Eigenschaften der kurzfaserverstärkten thermoplastischen Spritzgussmasse und der langfaserverstärkten UD Tapes für die Struktur- und Umformsimulation bestimmt. Im Anschluss werden auf Basis dieser Daten Materialmodelle mithilfe einer Prüfgeometrie validiert. Es werden verschiedene Lastfälle und die Maßhaltigkeit des Bauteils untersucht. Zuletzt soll eine Auslegungsmethodik auf Grundlage einer validierten Simulationskette für TSH erstellt werden.

Laufzeit:

01. November 2022 bis 30. September 2025

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Thorsten Krumpholz