Noch keinen Zugang? Dann testen Sie unser Angebot jetzt 3 Monate kostenfrei. Einfach anmelden und los geht‘s!
Angemeldet bleiben
Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
| Artikelseite 1 von 4

Durchgängige Simulation von Hybridstrukturen aus FVK und Spritzguss

In der Ausbildung junger Ingenieure wird immer mehr auf CAE-Werkzeuge geachtet. Die Nutzung dieser CAE-Werkzeuge sollte über ein reines Durchspielen von Tutorials hinausgehen. Es ist sinnvoll, bereits den problemorientierten Einsatz zu fördern. Auf Basis eines soliden Grundstocks konventioneller Kompetenzen in Mechanik und Thermodynamik können typische kleine Probleme auch selbständig mit CAE-Einsatz gelöst werden. Kommt noch Wissen und Verständnis für die praktische Anwendung dazu, so sind schon sehr praxisrelevante Aufgaben machbar.


1 Motivation und Ansatz der gekoppelten Spritzguss- und FEM-Simulation

An der Hochschule Hof werden in den Masterstudiengängen Maschinenbau und Verbundwerkstoffe die Grundlagen für die Auslegung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen gelehrt. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) mit thermoplastischen Matrizes werden heute an vielen Stellen für Strukturbauteile angewandt, insbesondere wenn die Stückzahlen größer werden. Diese bestehen oft aus einem endlos-faserverstärkten, evtl. umgeformten Plattenstück und einer zusätzlichen Umspritzung mit Thermoplast. Während die endlos-faserverstärkte Komponente für die Festigkeit und Steifigkeit sorgt, bietet die Spritzguss-Komponente eine große Freiheit in der Formgebung [2, 3, 4, 6].
Die Berechnung solcher Strukturbauteile ist eine interessante Aufgabe [5]. Es gibt Zusammenhänge zwischen Werkstoffen und Fertigungsverfahren, die Auswirkungen bezüglich der Festigkeit und des Verformungsverhaltens solcher Bauteile haben. An der Hochschule Hof haben die Professoren Herbert Reichel und Thomas Karall sich dieses Themas angenommen, um die Studierenden in den beiden Master-studiengängen an solche integrierten Problemlagen heranzuführen. Grenzen für diese Heranführung setzt die Zeit, die in einem Lehrmodul zur Verfügung steht. Es gilt also, eine Aufgabe zu finden, welche nicht zu trivial ist, ausreichend praxisnah und herausfordernd, aber doch im Zeitbudget für die Studierenden zu lösen ist.
In beiden Studiengängen wurde als Wahlmodul die Lehrveranstaltung „Simulation“ angeboten, welche die Verbindung von Spritzguss-Simulation mit Finite Elemente Berechnungen abdeckte.
Um die Studierenden mit entsprechenden Grundlagen zu versorgen, wurde die Bereiche Spritzgießen, Simulation des Spritzgießens, Festigkeitsberechnung von FVK und die Modellbildung für Finite Elemente vermittelt. Als Software wurden von den Professoren die Pakete „Cadmould“ und „Abaqus“ eingebracht, welche durch das Programm „Converse“ verbunden werden.

2 Hybride Biegeträger als Untersuchungsgegenstand

Die untersuchten Geometrien lehnen sich an Strukturbauteile an, welche im Automobilbereich als Verstärkungs- und Lastaufnahmen in Türen, Seitenwänden und Stoßfängern eingebaut werden. Da es in diesen Bereichen Hybridbauteile sowohl als Kombi- nation von Metall mit Umspritzung wie eben auch als mit Thermoplast umspritzte FVK gibt, wurden beide Bauweisen untersucht. Im Folgenden werden jene Aufgaben vorgestellt, die FVK / Thermoplast Kombinationen betrafen.
Die Geometrie des Bauteils Träger 2 ist komplex. Das tragende Element stellt Organoblech-Bauteil dar, welches grenzwertig mit entsprechender Technik aus erhitzten und erweichten Gelegen aus unidirektional verstärkten thermoplastischen Bändern (UD- Tapes) herstellbar wäre. Dieses komplexe Bauteil ist sowohl im Inneren wie auch am äußeren Rand mit Thermoplast umspritzt (Bild 1).

Bild 1 Träger 2

Bild 1
Träger 2


Auf Basis dieser Geometrien mussten die Studierenden für eine Reihe von vorgegebenen Materialien ein Spritzgusswerkzeug optimieren. Insbesondere der Träger 2 besitzt eine Reihe von Problemstellen, welche die Füllung erschweren. Hier waren dann Detailoptimierungen an der Anbindung wie auch die Verbesserung der Geometrie durch Fließhilfen notwendig.
Die eingelegten FVK-Verstärkungen wurden sowohl als kalte wie auch bis zu Erweichungspunkt erwärmte Einleger aus glasfaserverstärkem Werkstoff betrachtet. In Ermangelung verläss- licher Daten für Organobleche wurde die Materialkennwerte von Spritzmaterialien mit entsprechend hohem Faseranteil angesetzt.

3 Simulation mit Cadmould

Eines der Simulationsmodelle, welches durchaus akzeptable Ergebnisse für das Spritzgießen lieferte, hatte eine Anbindung mit sieben gesteuerten Heißkanaldüsen.
Da es sich um auf Biegung und Torsion belastete Strukturbauteile handelt, war eine möglichst bindenahtfreie Füllung gefordert. Daher wurden sieben gesteuerten Heißkanaldüsen modelliert und im Kaskadenverfahren gefüllt. Damit gelang eine zufriedenstellende Füllung (Bild 2).

Bild 2 Füllstand bei Erreichen [1]

Bild 2
Füllstand bei Erreichen [1]

Seite des Artikels
Autoren

Prof. Dr.-Ing. Herbert Reichel

Hochschule Hof  
Alfons-Goppel-Platz 1
95028 Hof
Tel.: 0 92 81/4 09 46 70
E-Mail: herbert.reichel@hof-university.de
www.hof-university.de

Prof. Dr. Thomas Karall

Hochschule Hof  
Alfons-Goppel-Platz 1
95028 Hof
Tel.: 0 92 81/4 09 46 70
www.hof-university.de

B.Eng. Julia Riembauer

Hochschule Hof  
Alfons-Goppel-Platz 1
95028 Hof
Tel.: 0 92 81/4 09 46 70
www.hof-university.de

B. Eng. Fabian Bürger

Hochschule Hof  
Alfons-Goppel-Platz 1
95028 Hof
Tel.: 0 92 81/4 09 46 70
www.hof-university.de

B. Eng. Maximilian Wohlrab

Hochschule Hof  
Alfons-Goppel-Platz 1
95028 Hof
Tel.: 0 92 81/4 09 46 70
www.hof-university.de

Verwandte Artikel

Robuste Auslegung endlosfaserverstärkter Leichtbaustrukturen

Beitrag zur Erhöhung des Beul-Torsionsmoments von Antriebswellen aus Faser-Kunststoff-Verbunden

Zur Faserverbund-gerechten Gestaltung von Knotenstrukturen

Preforming in großer Dimension – innovativer Ansatz in der Rotorblattfertigung

Von der Injektionsbox zum komplexen Werkzeug zur Fertigung von Hybridprofilen