Crash nach Plan

Kunststoffe - Der Trend zur Gewichtseinsparung im Fahrzeugbau verstärkt den Einsatz von Kunststoffen. Hochgeschwindigkeitsversuche ermöglichen jetzt die Simulation des Crash-Verhaltens von geklebten Kunststoffschäumen in Bauteilen aus Kunststoff-Metall-Verbünden.

11. Dezember 2007

Die virtuelle Bauteilentwicklung in der Automobilindustrie ist heute bereits Realität, allerdings erfordern die steigenden Anforderungen an Fahrkomfort, Ausstattung und Sicherheit immer genauere virtuelle Modelle. Eine große Rolle spielt dabei die exakte Beschreibung des Materialverhaltens bei Crashlastfällen. Deutliche Fortschritte gab es hier in letzter Zeit bei kurzglasfaserverstärkten technischen Thermoplasten: Hier ermöglichen eine bessere theoretische Durchdringung des Verhaltens von Polymeren sowie eine angepasste numerische Beschreibung heute wesentlich genauere Aussagen auch über komplexe Spannungszustände im Bauteil.

Harte Materialtests

Wesentlich für die Kalibrierung solcher modernen Stoffgesetze sind allerdings geeignete Materialtests, vor allem der Hochgeschwindigkeitszugversuch. Schließlich treten bei schlagartiger Belastung im Crash im Gegensatz zur quasi-statischen Spannungs- Dehnungsmessung Dehnraten in der Größenordnung von 10²/s auf. Um Spannungs- Dehnungskurven bei derart hohen Dehnraten zu ermitteln, hat der Ludwigshafener Chemiekonzern BASF ein Hochgeschwindigkeitsmesssystem entwickelt, dessen experimentell ermittelte Daten zusammen mit den Ergebnissen einer klassischen Füllsimulation es ermöglichen, das Verhalten komplexer Kunststoff -Bauteile am Computer mit hoher Genauigkeit zu simulieren. Vor allem crashbelastete Bauteile aus kurzglasfaserverstärkten Kunststoff en lassen sich ohne dieses Instrument der Integrativen Simulation virtuell nur unzureichend beschreiben.

Leichtbau am Computer

Zunehmend wichtig wird in der Fahrzeugentwicklung auch der Leichtbau: Zwar helfen leichte Strukturen einerseits, den Kraftstoff verbrauch und damit die CO2-Emissionen zu senken, doch verlangen steigende Anforderungen an die Crashsicherheit und den Fahrkomfort andererseits nach einer eher massiveren Bauweise. Herkömmliche Fahrzeugkarosserien aus Stahl sind daher meist kombinierte Schweiß-Klebekonstruktionen, die lokal durch abgestimmte Metallbleche besonders an Knotenpunkten verstärkt sind. Eine große Gewichtseinsparung lässt sich hier erreichen, wenn die oft komplex geformten und schwierig einzubringenden Metallverstärkungen durch intelligent gestaltete Einleger aus thermoplastischem Kunststoff ersetzt werden. Solche Polyamid-Einleger verbessern nicht nur das Schwingungs- und Geräuschverhalten, sondern können dem umgebenden Metall auch ein bestimmtes Verhalten im Crashfall aufzwingen.

Kunststoff nahtlos integriert

Zentrale Voraussetzung für einen solchen Einsatz von Kunststoff einlegern ist allerdings, dass sich das System nahtlos in die Fertigung integrieren lässt. Dies gelingt, wenn der spritzgegossene Kunststoff-Einleger auf definierte Weise mit einem expandierbaren Strukturschaum, also einem Klebstoff , umgeben wird. Wichtig ist dabei, dass der Strukturschaum noch nicht ausgehärtet und expandiert ist. In der Fertigung wird deshalb das so vorbereitete Kunststoffteil in die entsprechenden Karosserieträger eingelegt und die Karosserie zunächst herkömmlich komplettiert und lackiert. Die Aushärtung des Schaumsystems beginnt erst danach im Trockenofen bei 180 bis 200 °C. Der Schaumstoff expandiert und verklebt somit ohne weitere manuelle Maßnahmen von innen fest mit der Metallstruktur.

Numerische Crash-Analysen ermöglichen heute die vollständig virtuelle Auslegung solcher Kunststoff-Einleger auf dem Computer. Allerdings ist es dazu unabdingbar, das Gesamtsystem aus Metall, Kunststoff und Strukturschaum zu betrachten. Metalle lassen sich traditionell in der Crash-Simulation gut beschreiben, für glasfaserverstärkte Kunststoffe ermöglicht dies zudem das Verfahren der Integrativen Simulation von BASF. Komplexer ist jedoch die Berücksichtigung des stark nichtlinearen Verhaltens der verschiedenen Struktur schäume und Kleber. Eine Herausforderung ist dabei besonders die Modellierung ihres Versagens, also das Ablösen der Verbindungsschichten im Crash-Fall.

Zur Abbildung dieses komplexen Verhaltens unternahm BASF ein umfangreiches Versuchsprogramm zusammen dem schweizerischen Spezialchemikalien-Hersteller Sika, der auf Produkte zum Kleben, Versiegeln, Dämpfen und Verstärken im Automobilbau fokussiert ist. Grundlage der Experimente waren reale Versuchsbauteile. So repräsentierte in den Versuchen beispielsweise ein geschlossenes, u-förmiges Metallprofil mit eingeschäumtem Kunststoff-Einleger und einem weiteren Metallblech die B-Säule eines Fahrzeugs. Zu den variablen Randbedingungen gehörten Klebstofftyp, Verklebungsart, Verklebungsfläche, Material und Herstellung des Kunststoff -Einlegers. Als Ergebnis ermöglicht es die Integrative Simulation heute als derzeit einzige Methode auf dem Markt, das Verhalten des Gesamtsystems aus Metallstruktur, Kunststoff-Einleger und Strukturschaum mit guter Genauigkeit unter Crashbelastung vorherzusagen.

Die Methode basiert auf einer eigens für den Schaum entwickelten Materialmodellierung, welche in den drei wichtigen Crash-Codes LS-Dyna, PamCrash und Radioss zur Verfügung steht. Das numerische Materialmodell berücksichtigt dabei die schaumtypischen Eigenschaften wie starke Zug-Druck-Asymmetrie, das Verhalten unter Scherung und das für den Crash sehr wichtige belastungsabhängige Verhalten. Die für diese Versuche verwendete Geometrie von Metallstruktur und Kunststoff-Einleger ebnet den Weg für weitere Entwicklungen: So lassen sich verbesserte Schaumwerkstoff e oder crashfeste strukturelle Verklebungen ebenso testen wie verbesserte Kunststoffmaterialien für die Einleger.

Dr. Stefan Glaser, Andreas Wüst, BASF/bt

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2008