Analyse und modellhafte Beschreibung des Schädigungsverhaltens langfaserfaserverstärkter teilkristalliner Thermoplaste unter Berücksichtigung der Faserlänge und Faserkrümmung
Kunststofftechnik
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für eine verbesserte Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von LFT ist die Berücksichtigung der Faserkrümmung essentiell. Daher zielten die Arbeiten in diesem Projekt der experimentellen sowie numerischen Untersuchung des Einflusses der Faserkrümmung auf das Steifigkeits- und Festigkeitsverhalten der Materialkombination von Polypropylen und Glasfasern. Dafür wurden zuerst Einzelfaserprüfungen zur Analyse der Grenzflächeneigenschaften durchgeführt. Da durch das ursprünglich im Antrag beschriebene Herstellungsverfahren (Verpressen zweier Folien) keine Probekörper mit ausreichender Qualität generiert werden konnten und die Prozessparameter sich stark von den konventionellen Prozesstemperaturen und -drücken im Spritzgießen unterscheiden, wurden weitere Konzepte zur Herstellung von Einzelfaserprobekörpern im Spritzgießen verfolgt. Bei den entwickelten Konzepten konnte übergreifend festgestellt werden, dass die Herstellung definierter und reproduzierbarer Faserkonfigurationen bzgl. Krümmung und Position aufgrund der hohen Schmelzegeschwindigkeiten nicht gelingt und Lufteinschlüsse eine belastbare Analyse der Grenzflächeneigenschaften verhindern. Daher wurden umfangreiche simulative Parameterstudien durchgeführt, mit deren Hilfe der Einfluss der Interphase sowie der Faserkrümmung untersucht werden konnte. Die Ergebnisse der Steifigkeitsvariation im Single-Fibre-Fragmentation-Modell haben gezeigt, dass eine Variation der Kohäsivsteifigkeit nahezu keinen Einfluss auf das Schädigungsverhalten aufweist. Aus dem zweiten Simulationsmodell kann die Erkenntnis gezogen werden, dass bei kürzeren Fasern höhere Spannungsspitzen zu erwarten sind, da die Kraftübertragungsflächen geringer sind. Zudem führt eine Krümmung der Fasern in Kombination mit einer Umorientierung dazu, dass die Scherspannungsmaxima an den Faserenden abnehmen und somit eine initiale Schädigung später zu erwarten ist. In vereinzelten Fällen wandert das Scherspannungsmaximum sogar auf die Fasermantelfläche, die um 45° orientiert zum Hauptdehnungsfeld liegt, wodurch die initiale Ablösung nochmals verzögert ist. Bezogen auf reale Fasergewichtsgehalte kann mittels des Simulationsmodells auf Basis der nachträglich gekrümmten Geometrien festgehalten werden, dass bereits bei kleinen Krümmungswerten die Steifigkeit in Faserrichtung stark abfällt. Dieser Effekt nimmt mit steigendem Fasergewichtsgehalt zu. Bei den betrachteten Faserlängen war bis auf die Ausnahme der Länge von 1 mm eine faserlängenunabhängige Steifigkeitsreduktion festzustellen. Abschließend wurde ein Auswerte-Algorithmus aufgebaut, mit dem die tatsächliche statistische Faserkonfiguration aus Ct-Scans extrahiert werden können. Auch wenn die Auswertung aufgrund der Datenmengen herausfordernd ist, kann festgehalten werden, dass bereits ab einer Faserlänge von 0,1 mm ein großer Anteil der Faser im gekrümmten Zustand vorliegt. Ab einer Faserlänge von 1 mm liegen nahezu alle Fasern gekrümmt vor. Zudem ermöglicht das Erfassen der Mikrostruktur die Abbildung realer Geometrien in Simulationsmodellen. Aufgrund der voxelbasierten Auswertung müssen die Daten jedoch für eine Übertragung manipuliert werden, da die ermittelten Mittelpunkte entlang der Faserachse nicht in eine stetige Kurve überführt werden können. Für weitere Untersuchungen stellt die Prüfkörperherstellung die größte Herausforderung dar. Geeignete Entlüftungskonzepte oder eine federbasierte Faserfixierung zur Abminderung der Staucheffekte der Faser während der Schmelzeumströmung könnten Ansätze für eine Einzelfaserprobekörperherstellung darstellen. Die robuste Herstellung und Prüfung der Interphaseneigenschaften ist essentiell, um darauf aufbauend die Simulationsmodelle geeignet zu kalibrieren und quantitative Aussagen über das Schädigungsverhalten treffen und in der Folge ein Schädigungsmodell ableiten zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ermittlung realer Faserkrümmungsverteilungen zur verbesserten Beschreibung des strukturmechanischen Verhaltens langfaserverstärkter Kunststoffe. Dissertation, RWTH Aachen, 2022
Ersch, M.
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Influence of fibre curvature on interfacial shear stresses. Proceedings of the 31st international Colloquium Plastics Technology 2022. Aachen – ISBN: 978-3-8440-8662-1
Hopmann, Ch.; Dahlmann, R. & Di Battista, F.
