Erweiterung der mehrskaligen probabilistischen Simulationskette zur durchgängigen Abbildung des Herstellprozesses und des Bauteilverhaltens auf diskontinuierlich langfaserverstärkte Kunststoffverbunde (MeproSi-2)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Carla Beckmann; Dr.-Ing. Florian Wittemann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464119659

In der ersten Phase des Projekts MeproSi wurde eine probabilistische, multiskalige Simulation für kurzfaserverstärkte Verbundwerkstoffe entwickelt, die Unschärfen entlang der gesamten Prozesskette bis zur Bauteilebene abbildet. In der Fortsetzung soll diese Methodik auf langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) übertragen werden, die durch zusätzliche Unsicherheiten wie Faserkrümmung, Streuung des Faservolumenanteils und heterogene Mikrostrukturen gekennzeichnet sind. Ziel ist der Aufbau einer integrierten probabilistischen Prozesskettensimulation zur umfassenden Analyse dieser zusätzlichen Effekte. LFT weisen prozessbedingt starke Mikrostruktur- und Eigenschaftsstreuungen auf. Hauptursachen sind Variationen in Faserorientierung, -länge und -volumenanteil. Komplexe Modellierungsansätze zur Faser-Matrix-Separation existieren, sind jedoch numerisch aufwendig und für Spritzguss auf Bauteilebene bislang nicht valide. Das mechanische Verhalten diskontinuierlich langfaserverstärkter Kunststoffe wird stark durch prozessbedingte Mikrostruktur beeinflusst, was zu lokalen Streuungen der Materialeigenschaften führt, die probabilistisch modelliert werden müssen. Eine durchgängige Multiskalenanalyse zur Erfassung dieser Unschärfen bis auf Bauteilebene steht bislang aus und soll weiterentwickelt werden. In AP 1 werden Spritzguss-Experimente mit LFT-Modellwerkstoffen mit variierenden Faseranteilen und Prozessparametern durchgeführt. Dabei erfolgen neben den Spritzgussversuchen auch Materialherstellung, CT-Analysen sowie rheologische und mechanische Tests. AP 2 entwickelt plastifizierungsabhängige Randbedingungen für die Prozesssimulation, zunächst deterministisch, dann probabilistisch, basierend auf Freistrahlexperimenten. In AP 3 wird der Faservolumenanteil als Feldgröße in der Prozesssimulation modelliert. Zunächst erfolgt die Implementierung einer Bilanzgleichung ohne empirische Parameter gefolgt von einer physikalisch fundierten Erweiterung zur Modellierung der Faser-Matrix-Separation. Die Validierung erfolgt mit experimentellen Daten aus AP 1. AP 4 entwickelt darauf aufbauend ein Modell zur Vorhersage lokaler Inhomogenitäten wie Fasercluster und Krümmungen. Es nutzt Simulationsergebnisse und experimentelle Daten zur Sensitivitätsanalyse, Parameterbestimmung und Validierung. Ziel ist eine zuverlässige Vorhersage von lokalen Material Inhomogenitäten. In AP 5 wird eine Methode zur stochastischen Mikrostrukturgenerierung für LFT-Materialien entwickelt, die Faserkrümmung und -cluster berücksichtigt. AP 6 fokussiert auf effiziente Finite-Elemente-Modellierung dieser Mikrostrukturen, u. a. durch Balkenelemente und Multiskalensimulation. AP 7 untersucht, wie Mikrostrukturunsicherheiten makroskopische Materialeigenschaften beeinflussen, basierend auf stochastischer Homogenisierung. AP 8 überträgt die Ergebnisse auf die Bauteilebene mittels probabilistischer Prozess- und Struktursimulation, wobei Zufallsfelder für Materialparameter verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen