Structural durability development process for short fiber reinforced plastic (SFRP) components

by W. Hübsch - Magna Powertrain

Thermoplaste mit Kurzfaserverstärkung aus Glas - im Spritzgussverfahren hergestellt - ermöglichen Gewichtsreduktionen einerseits durch geringe Dichte und gute spezifische Festigkeiten, andererseits durch Funktionsintegration bei gleichzeitiger Massenproduktionstauglichkeit. Andererseits regiert dieser Materialtyp sensitiv auf Umwelteinflüsse wie Temperatur und Umgebungsmedium bzw. Produktionseinflüsse wie lokale Faserorientierung und Bindenähte. Der Prozess, um eine zuverlässige Betriebsfestigkeitsanalyse sicherzustellen, startet daher bei umfangreichen Probenversuchen mit einfachen Lasten und unterschiedlichen Beanspruchungstypen sowie Einflüssen wie Faserorientierung, Kerben, Temperatur, Bindenähte und Konditionierungszustand. Es stellt sich heraus dass z.B. bei Polyamiden manche Einflüsse stärker oder auch schwächer ausgeprägt sind als bei Metallen. Für die Bauteilberechnung werden die Vorhersage der lokalen Faserorientierung und der Bindenähte in der Finite Elemente und in der Betriebsfestigkeitsanalyse benutzt. Unter Verwendung eines richtungsabhängig erweiterten kritischen Schnittebenenverfahrens als Festigkeitshypothese können komplexe Beanspruchungsverläufe - analog zu metallischen Werkstoffen - verwendet werden. Auch weitere Einflüsse wie geometrische Kerben, Mittelspannungseinflüsse und lokale Plastizität können adäquat berücksichtigt werden. Anhand von Bauteilen aus mehreren automotiven Anwendungen werden der Berechnungsablauf sowie die Korrelation zu Versuchsergebnissen dargestellt. Hierbei zeigt sich gute Übereinstimmung wobei sich die Vorhersagegüte der lokalen Faserorientierung als kritischer Aspekt herausstellt. Diesbezüglich sind noch Untersuchungen bezüglich Faserorientierungsmodellen, Tools und Diskretisierungsfeinheit im Gange.