Der Einfluss von Länge und Krümmung

(1)

Der Einfluss von Länge und Krümmung

Berechnung des Langzeitverhaltens spritzgegossener langfaserverstärkter Thermoplastbauteile durch integrative Simulation

Technische Bauteile werden meist für eine Einsatzdauer von mehreren Jahren ausgelegt. Bei thermoplastischen Bauteilen muss über diese Zeitspanne auch das Kriech- und Relaxationsverhalten berücksichtigt werden. Dies ist für spritzgegossene langfaserverstärkte Thermoplaste bisher nicht gelöst. Um das Langzeitverhalten auch für diese Materialklasse simulieren zu können, hat das IKV eine integrative Berechnungsmethode entwickelt.

D

as Anwendungsspektrum für langfa- serverstärkte thermoplastische Werk- stoffe (LFT) wird aktuell im Bereich techni- scher Bauteile zunehmend breiter. Gerade im automobilen Interieur- und Exterieur- bereich ist der Einsatz der – im Vergleich zu kurzglasfaserverstärkten Thermoplas- ten teureren – LFT aufgrund ihrer speziel- len Eigenschaften zunehmend attraktiv.

Während die versteifende Wirkung der Faserverstärkung bereits durch die Hinzu- gabe kurzer Fasern (< 1 mm) ihrem Maxi- mum entgegenstrebt, können die Eigen- schaften Festigkeit, Schlagzähigkeit sowie

die Kriechneigung unter Verwendung lan- ger Fasern weiter vorteilhaft modifiziert werden. Dabei profitieren gerade unpo- lare Matrixwerkstoffe wie z. B. Polypropy- len (PP) von den langen Fasern, weil die vollständige Verstärkungswirkung erst beim Erreichen der kritischen Faserlänge ausgeschöpft werden kann.

Einer der Gründe, warum das Poten- zial von LFT derzeit nur selten ausge- schöpft wird, ist das komplexe Material- verhalten. Im Ausgangsgranulat sind die Fasern noch mehr als 10 mm lang; da sie im Verarbeitungsprozess nicht gleich-

mäßig eingekürzt werden, spreizt sich die Faserlängenverteilung währenddessen deutlich auf [1]. Daher kann man im Bau- teil nicht mehr von einer einheitlichen Faserlänge ausgehen, sondern muss ein weit gestreutes Band an langen sowie kurzen Fasern voraussetzen.

Der Wunsch, jede einzelne Faser in der Struktursimulation explizit zu be- rücksichtigen, scheitert an den aktuell – sowie in absehbarer Zeit – verfügbaren Rechenkapazitäten. Homogenisierungs- methoden erweisen sich diesbezüglich als vielversprechend und dürfen im Be- Die integrative Berechnung des Lang

zeitverhaltens von LFT ermöglicht eine bessere Bauteilauslegung ^{(© IKV)}

(2)

das Material auf einem Doppelschnecken- extruder regranuliert und anschließend ebenfalls zu Platten (mit einer anderen Faserlänge) spritzgegossen.

Alle Probekörper wurden auf ihre Faserorientierung, ihre Faserlängenvertei- lung sowie den Fasermassengehalt untersucht. Fasergewichtsanteil und Faser- längen wurden durch Veraschen der PP- Matrix bei 500 °C ermittelt. Zur Messung der Faserlängen kam ein Analysegerät des Typs Fasep (Hersteller: xyz high pre- cision) zum Einsatz [2], die Faserorien- tierung wurde mittels Mikro-Computer- tomographie untersucht, wobei der Ori- reich der Kurzfaserverstärkung als eta-

blierte Berechnungsverfahren gelten. Die dabei getroffenen Vereinfachungen sind mit zunehmender Faserlänge jedoch nicht mehr zulässig, weshalb diese Me- thoden sich nicht ohne Weiteres auf die Berechnung von LFT übertragen lassen.

Ausgehend von gängigen Berechnungs- methoden für kurzfaserverstärkte Ther- moplaste hat das Institut für Kunststoff- verarbeitung (IKV), Aachen, daher im Rah- men eines öffentlich geförderten For- schungsprojekts ein integratives Berech- nungsverfahren zum Langzeitverhalten spritzgegossener LFT-Bauteile ent wickelt, das dessen Besonderheiten Rechnung trägt.

Die Faserlänge beeinflusst das Langzeitverhalten

Um diese Methode zu entwickeln, hat das IKV zunächst den Einfluss der Faserlänge auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundverhaltens untersucht. Grundla- ge dieser Untersuchungen war ein pultru- diertes Langfasergranulat aus PP mit 40 Gew.-% Langglasfasern (PP-LGF40; Typ:

Celstran PP-GF40-0414 P10; Hersteller:

Celanese). Aus diesem Material wurden im Technikum von Celanese Platten mit zwei unterschiedlichen Faserlängen her- gestellt. Hierfür wurde zunächst das Aus- gangsgranulat mit einer initialen Faser- länge von 10 mm verarbeitet. Dann wurde

Bild 1. Durch die Messung von Faserorientierung sowie Faser

längenverteilung lässt sich die innere Mikro

struktur gut beschreiben

(Quelle: IKV)

entierungstensor durch digitale Bildver- arbeitung basierend auf der Struktur- tensormethode bestimmt wird (Bild 1).

Bei Kurzzeitzugversuchen (KZZV) mit einer konstanten Traversengeschwindig- keit von 5 mm/min lässt sich nur ein ge- ringer Einfluss der Faserlänge auf das me- chanische Werkstoffverhalten feststellen (Bild 2). Steifigkeit sowie Festigkeit sind vergleichbar. Bei kürzeren Fasern nimmt bei größerer Verformung lediglich die Nichtlinearität zu. Dieses Ergebnis lässt sich in Kriechversuchen nur teilweise be- stätigen. Solange die initiale Dehnung unterhalb der Schädigungsdehnung mittlere Faserlänge

Granulat

9635µm Probekörper 1167µm Langfaserverstärkung

Faserorientierung

A₁₁ A22

A33

Wanddicke 1,0

0,8 0,6 0,4 0,2 00 Orientierungsgrad Aii

0,5 1,0

Wanddicke 1,0

0,8 0,6 0,4 0,2 00 Orientierungsgrad Aii

0,5 1,0

mittlere Faserlänge

Granulat

516 µm Probekörper 511 µm Kurzfaserverstärkung

Faserorientierung

Dehnung 100

MPa 80 70 60 50 40 30 20 10 00

Spannung

1,0 2,0 % 3,0

Zeit Kriechen bei 43 MPa 3,0

2,0 1,0 0

%

0

Dehnung

200

100 300 400 h 600

Zeit Kriechen bei 20 MPa 0,5

% 0,3 0,2 0,1 00

Dehnung

200

100 300 400 h 600

LFT SFT

Bild 2. Die Faserlänge (LFT: Langfaserverstärkung, SFT: Kurzfaserverstärkung) hat einen großen Einfluss auf das Langzeitverhalten (Quelle: IKV)

»

© Kunststoffe

(3)

liegt, zeigen die Probekörper im Kriech- versuch zwar innerhalb der ersten Stun- den eine differenzierte Dehnungsent- wicklung, nähern sich dann aber ver- gleichbaren Kriechraten über der Zeit an.

Mit steigender Belastung und dem Eintre- ten erster Materialschäden entwickeln die langen Fasern schließlich ihr volles Poten- zial und zeigen eine deutlich größere Re- sistenz gegenüber einer fortschreitenden Schädigung.

Nichtlinear viskoelastisches Material- modell auf Basis von Pseudograins

Aufbauend auf einem Homogenisierungs- ansatz auf der Grundlage eines mikromechanischen Modellansatzes [3, 4] wurde am IKV ein Materialmodell entwickelt, das speziell den Anforderungen zur Berech- nung von LFT genügt. Das Materialmodell nutzt ein zweistufiges Homogenisierungs- verfahren [5, 6]. Die Grundidee dieses Ver- fahrens besteht darin, den Verbundwerk- stoff in sogenannte Pseudograins zu zer- legen, die jeweils in ihrer Form und in ihrer Orien tierung homogene Einschlüs- se besitzen. Durch dieses Vorgehen lässt sich sowohl eine Orientierungsverteilungs- funktion (OVF) als auch die Faserlängen- verteilung berücksichtigen. Dazu werden beide Verteilungen durch eine endliche Anzahl an Orientierungs- und Längen- klassen diskretisiert.

Das Verhalten der Kunststoffmatrix wird mit einem nichtlinear-viskoelastischen Materialmodell beschrieben, das die Ein-

Die Autoren

Maiko Ersch, M.Sc. RWTH, ist seit 2015 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen und dort auf dem Gebiet

„Formteilauslegung/CAEMethoden/

Werkstofftechnik“ tätig;

maiko.ersch@ikv.rwthaachen.de Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann ist seit 2011 Leiter des IKV und Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen.

Dank

Das IGFForschungsvorhaben 18303 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverar

beitung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der indus

triellen Gemeinschaftsforschung und

entwicklung (IGF) vom Bundesministeri

um für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bun

destags gefördert.

Service

Literatur & Digitalversion

B Das Literaturverzeichnis und ein PDF des Artikels finden Sie unter www.kunststoffe.de/4706565

English Version

B Read the English version of the article in our magazine Kunststoffe international or at www.kunststoffe-international.com

flüsse der Zeit und der Belastungshöhe adäquat abbildet, solange eine Schädi- gung des Verbundverhaltens ausge- schlossen werden kann. Die Fasern werden als linear elastisch modelliert. Das Materialmodell für LFT wurde exempla- risch in das FE-Programm Abaqus/Stan- dard (Anbieter: DS Simulia) als benutzer- definierte Materialbeschreibung (UMAT) implementiert.

Ein großer Vorteil, der aus der Ver- wendung eines mikromechanischen An- satzes resultiert, ist, dass die Kalibrierung am reinen Matrixmaterial ausgeführt werden kann und dann bei gleichbleibender Matrixformulierung allgemeingültig und somit unabhängig von der Faserart, der Faserorientierung, dem Fasergehalt sowie den unterschiedlichen Faserlängen an- wendbar ist. Das beschriebene Material- modell wurde über ein aufwandsopti- miertes Verfahren mit dehnratengeregel- ten Kurzzeitzugversuchen an spritzge- gossenen Zugstäben des Typs 1B (DIN EN 527) kalibriert, die bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 0°C und 100 °C durchgeführt wurden (Bild 3).

Das Langzeitverhalten ergibt sich so aus dem Prinzip der Zeit-Temperatur- Verschiebung (ZTV) in Kombination mit dynamisch-mechanischen Analysen (DMA).

Während die Versuchsdauer für mechani- sche Prüfungen zur Kalibrierung an Zeit- Dehn-Linien mehrere Monate betragen kann, verkürzt sich der experimentelle Aufwand mit der beschriebenen Metho- de auf etwa eine Woche.

Bild 3. Das aufwandsorientierte Kalibrierverfahren ermöglicht eine gute Abbildung des zeitab

hängigen mechanischen Verhaltens der Matrixkomponente (Quelle: IKV)

Kalibrierung Excel-Routine

DMA ZTV

Dehnung Zeit

ε^•

Dehnratenkonstante KZZV

Validierung an Kriechversuchen 60

50 40 30 20 10 0 MPa

0

Spannung Dehnung

5 % 10

1,0

0,5

0

%

0 1000 h 2000

Simulation Messung 0 °C

23 °C 40 °C

60 °C 80 °C 100 °C

© Kunststoffe

(4)

Wie schon beschrieben, ist es nicht möglich, den Einfluss jeder einzelnen Fa- ser explizit zu berücksichtigen. Innerhalb der Homogenisierungsmethoden müs- sen daher vereinfachende Annahmen zur Mikrostruktur getroffen werden. Nach der Theorie von Eshelby [3] werden die Fa- sern zu einer äquivalenten Einschluss- geometrie zusammengefasst, die als ideal gestrecktes Ellipsoid in einer unendlich ausgedehnten Matrix modelliert wird.

Diese geometrische Vereinfachung bein- haltet die Annahme, dass die Fasern alle ideal gestreckt, also ohne Krümmung vorliegen. Ein Blick in die Mikrostruktur von LFT (Bild 4) zeigt jedoch, dass sich die Fasern mit zunehmender Faserlänge klar erkennbar krümmen.

Einfluss der Faserkrümmung im Langzeitverhalten

Eine solche Faserkrümmung beeinflusst die Versteifungswirkung in erheblichem Maß [7] und muss daher in der Simula- tion für LFT in geeigneter Form berück- sichtigt werden. Deshalb wurde das Prin- zip der äquivalenten Einschlusssteifigkeit [8] adaptiert und unter der Annahme implementiert, dass sich längere Fasern stärker krümmen, wobei eine Funktion die Krümmungsreduktion und damit die Abminderung der Fasersteifigkeit über alle Faserlängen hinweg konsistent an- passt.

Der Modellparameter zur Faserkrüm- mung wurde in einem Reverse-Enginee- ring-Ansatz so bestimmt, dass die in den Kurzzeitzugversuchen gemessene Stei- figkeit in der Simulation nachgestellt werden kann. Dafür wurden sowohl die Fa- serlängen als auch die Faserorientierung in experimentellen Versuchen ermittelt, ebenso wie die Verteilung der Faserorien- tierungen und Faserlängen. Bis die erste Materialschädigung eintritt, stimmen das experimentell ermittelte und das simu-

lierte Werkstoffverhalten sowohl in der Hauptorientierung als auch orthogonal dazu sehr gut überein (Bild 5).

Integrative Simulation als Schlüssel zum Erfolg

Zur Berechnung komplexer LFT-Bauteile wurde eine integrative Simulationskette entwickelt, die als Eingangsgrößen sowohl die experimentell bestimmte als auch die simulierte Faserorientierung akzeptiert.

Der Spritzgießprozess wird mit dem Füll- simulationsprogramm Mold flow (Anbie- ter: Autodesk) simuliert. Für die Vorhersa- ge der Faserorientierungen wird dort das speziell für LFT entwickelte ARD-RSC-Mo- dell genutzt [9]. Eine am IKV entwickelte Schnittstelle überträgt die Ergebnisse zwischen den unterschiedlichen Program- men der Simula tionskette.

Um das Berechnungsverfahren zu vali- dieren, prüften die Forscher eine Rippen- geometrie in einem 3-Punkt-Biege-Relaxa- tionsversuch und stellten den Versuch in der Simulation nach (Bild 6). Das Potenzial des integrativen Berechnungsverfahrens wurde mithilfe von Simula tionen unter der Annahme eines quasi- isotropen Material- verhaltens, das bei einem definierten Be- lastungsniveau kalibriert wurde, nachge- wiesen (LFT-isotrop). Die Kalibrierung wurde als Mittelwert aus einem 0°- und dem 90°-Relaxationsversuch am Zugstab bei 0,5 % Dehnung vorgenommen. Der Ver- gleich der zwei Simulationen mit den

»

Dehnung 100

MPa 80 70 60 50 40 30 20 10 00

Spannung

1,0 2,0 3,0 4,0 % 5,0

LFT 0° Simulation SFT 0° Simulation LFT 90° Simulation SFT 90° Simulation Matrix Simulation

LFT 0° Experiment SFT 0° Experiment LFT 90° Experiment SFT 90° Experiment Matrix Experiment

Bild 5. Wenn die Krümmungsreduktionsfunktion an den Verarbeitungsprozess angepasst wird, kann das Materialverhalten die Realität gut wiedergeben (Quelle: IKV)

Bild 4. Die ausgeprägte Faserkrümmung in LFTBauteilen muss in einem Materialmodell berück

sichtigt werden (Quelle: iWP innovative Werkstoffprüfung, IKV)

Visualisierung der

Faserkrümmung Verlauf der Krümmungsreduktion

Visualisierung des Aspektverhältnisses Aspektverhältnis l/d 1,0

0,8 0,6 0,4 0,2 00

Krümmungsreduktion

100 200 300 400

A = 0,001 A = 0,01 A = 0,1 A = 1

starke 2 mm

Krümmung Bildung von Faserclustern

(5)

gemessenen Versuchsergebnissen zeigt, dass zum einen die integrative Simulation die initiale Bauteilsteifigkeit besser trifft und zum anderen die Reaktionskraft im zeitlichen Verlauf besser mit der Messung übereinstimmt.

Ausblick

Die dargestellte Methode ist geeignet, den Einfluss der Faserlänge auf die zeitab- hängigen Verbundeigenschaften zu beschreiben. Die Anwendung auf ein Mo- dellbauteil zeigt, dass sie das Bauteilver- halten in guter Näherung abbildet. Kritisch bleibt die Berücksichtigung der Faser- krümmung über einen phänomenologi- schen Ansatz, auch wenn dieser dem heutigen Stand der Technik entspricht.

Da der Krümmungsbeiwert experimentell bestimmt werden muss und die Fa- serkrümmung zudem stark von lokalen Strömungsbedingungen abhängt, bleibt der kalibrierte Parametersatz auf abwei- chende Bauteilgeome trien oder Prozess- historien nur bedingt übertragbar.

Es gilt nun, in weiterführenden For- schungsarbeiten den Zusammenhang zwischen Faserkrümmung und den da-

raus resultierenden Eigenschaften auf mikromechanischer Ebene herauszuar- beiten. Fraglich bleibt der Einfluss der Fa- serkrümmung auf die Festigkeit. Wäh- rend die Krümmung die Steifigkeit redu-

ziert, könnte sie sich durch die ausgebil- deten Verschlaufungen auf die Festigkeit eher steigernd auswirken. Das ermittelte zeitabhängige Versagen lässt diese Hypo- these jedenfalls zu. W

Zeit

Versuchsaufbau

Simulation Validierung

Dehnung, max. Principal t = 1s 100 mm

obere Druckfinne Geometrie

30

145 d = 1,6 mm 42

Bauteil

 20mm F (t)

g 0 0,1 % 0,2 600

N 500 450 400 350

3000 900 1800 2700 s 3600

Reaktionskraft

LFT LFT-integrativ LFT-isotrop

Bild 6. Erfolgreiche Validierung des Materialmodells am Modellbauteil. Dazu wurde ein 3PunktBiegeRelaxationsversuch nachgestellt (Quelle: IKV)

Closed-Cell-Technik gewährleistet hohe Wasserdichtigkeit

Neue Anwendungen für das automatisierte Dichtungsschäumen

Mit der auf der Fakuma 2017 erstmals vor- gestellten FIP-CC-Dichtungstechnik (For- med In-Place Closed-Cell) lässt sich der geschlossenzellige, mit einer sehr hohen Wasserdichtigkeit ausgestattete Polyure-

thandichtungsschaum Fermapor CC ver- arbeiten. Das bei Raumtemperatur ver- netzende Zwei-Komponenten-System schließt laut Hersteller Sonderhoff die Lücke zwischen hochpreisigen überwie- gend geschlossenzelligen Materialsyste-

men wie Silikonschaum und günstigeren gemischt zelligen PUR-Schaum systemen.

Die erste der dafür neu entwickelten Mitteldruck-Misch- und Dosieranlagen (Typ: DM 402 CC) hat Sonderhoff bereits an Borscheid + Wenig verkauft – „nach einer intensiven Testphase und vielen Be- musterungen“, so Peter Fischer, Leiter Marketing der Sonderhoff Holding. Der Kunststoffverarbeiter erwog vor einem neuen Projekt, ob er eine klassische Ein- Komponenten-Dichtung einsetzen oder einen neuen Weg einschlagen sollte. Eine Reihe von Vorteilen gab schließlich den Ausschlag, von denen die feinzellige, sehr dichte und gleichmäßige Struktur der PUR-Weichschaumdichtung und die damit verbundene sehr geringe Wasserauf- nahme nur ein Faktor war. Das Schaumsys- tem ist eine kostengünstige Alternative zu 1K-PUR-Dichtungen und verlangt keine Investitionskosten für einen Temperofen.

Zudem macht die Fermapor-CC-Schaum-

dichtung mit ihrer glatten, leicht glänzen- den Oberfläche auch optisch einen werti- gen Eindruck und erreicht nahezu ihre vollständige Dimension bereits kurz nach der Dosierung auf dem Bauteil.

Mit dem neuen Dichtungsschaum und der FIP-CC-Dosiertechnik steht dem Markt laut Sonderhoff jetzt ein weiter- entwickeltes FIPFG-Verfahren (Formed In- Place Foamed Gaskets) zur Verfügung, das dem automatisierten Dichtungs- schäumen neue Anwendungsfelder er- schließt. Norbert Borscheid, kaufmänni- scher Geschäftsleiter von Borscheid + Wenig, bestätigt: „Wir möchten durch die neue FIP-CC-Dichtungstechnologie den Bereich frei aufgetragener Dichtschaum- systeme weiter ausbauen und diese Tech- nologie in vielen Anwendungsfeldern zum Einsatz bringen.“

Zur Produktmeldung:

www.kunststoffe.de/4889633