Mehrskalige probabilistische Simulationskette zur durchgängigen Abbildung des Herstellprozesses und des Bauteilverhaltens von ungeordnet faserverstärkten Spritzgussbauteilen (MeproSi)

• Antragstellerinnen: Dr. Carla Beckmann; Professorin Dr.-Ing. Luise Kärger
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464119659

Diskontinuierlich faserverstärkten Verbundwerkstoffen kommt mit dem zunehmenden Vordringen des Faserverbundleichtbaus aus der Luft- und Raumfahrt in Großserienanwendungen wie den Automobilbau eine steigende Bedeutung zu. Moderne im Duromerspritzguss hergestellte Langfaserbunde können dabei die mechanischen Kennwerte von Aluminium erreichen, zeichnen sich aber bei der Herstellung durch einen geringen Energiebedarf aus, wodurch die CO2-Bilanz verbessert wird. Der wesentliche Nachteil diskontinuierlich faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist ihre ungeordnete, prozessabhängige Mikrostruktur. Diese bedingt erhebliche, nicht vermeidbare Streuungen im Materialverhalten. Die Unschärfe des Materialverhaltens wird durch die Unschärfe der Faserorientierung und -länge sowie des lokalen Faservolumenanteils hervorgerufen. Dazu kommen Unschärfen im Materialverhalten der Konstituenten sowie des Faser-Matrix-Interfaces. Der inhärenten Unschärfe der Mikrostruktur überlagert ist der Einfluss des Verarbeitungsprozesses, der durch das Fließen des Materials bei der Formfüllung zu einer prozessbedingten Ausrichtung der Fasern führt. Die Prozessführung ihrerseits unterliegt weiteren Unschärfen. Die Unschärfe des Materialverhaltens führt in der Anwendung zur Verwendung oft unnötig hoher Sicherheitsbeiwerte und damit zu einer oft schlechten Ausnutzung des Leichtbaupotentials dieser Werkstoffe.Das hier beantragte Projekt zielt darauf ab, eine Prognose fertigungsbedingter aleatorischer Streuungen im Material- und Strukturverhalten von Spritzgussbauteilen zu ermöglichen. Dies soll durch eine integrierte probabilistische Multiskalensimulation entlang der Prozesskette von der streuungsbehafteten Verarbeitung über die Beschreibung der unscharfen Mikrostruktur bis zur probabilistischen Simulation des Bauteilverhaltens erreicht werden. Hierzu soll auf Basis einer probabilistischen Prozesssimulation eine Bestimmung der ortsabhängigen, unscharfen Mikrostruktur erfolgen. Mittels einer probabilistischen Homogenisierung werden die lokalen Materialeigenschaften in einer statistischen Beschreibung bestimmt. Auf dieser Basis erfolgt eine Zufallsfeldbeschreibung des Materialverhaltens auf Bauteilebene, wofür eine Strategie zur Berücksichtigung ortsabhängiger statistischer Eigenschaften aus dem Prozess zu erarbeiten ist. Somit kann der Einfluss der Unschärfen vom Prozess beginnend analysiert und quantifiziert werden. Die Fortpflanzung mikrostruktureller Streuungen kann damit bis zum Strukturverhalten bewertet werden. Die inhärenten Unschärfen im Material- und Bauteilverhalten werden so einer Berechnung zugänglich und in der Anwendung beherrschbar gemacht. Dabei liegt der Fokus zunächst auf aleatorischen Unschärfen. Eine Erweiterung zur Erfassung epistemischer Unschärfen, etwa aus Mess- oder Modellungenauigkeiten, wird in einer zweiten Phase angestrebt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen